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DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH EI N -WESTFALEN
Herausgegeben von Staatssekretăr Prof. Leo Brandt
Nr.265
Prof. Dr. phil. F. Micheel
Dr. rer. nat. R. Engel
Organisch-Chemisches Institut der Universităt Munster
Eine Apparatur zur elektrophoretischen Trennung von Stoffgemischen
Ars Manuskript gedruckt
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GmbH
1956
ISBN 978-3-663-03504-6 ISBN 978-3-663-04693-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04693-6
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e d e run g
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Einleitung . s. 5
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I. Die Klivette s. 5
II. Das Klihlsystem s. 9
III. Der Elektrodensplilkreis s. 13
. . . . . . . . . . . . . .
IV. Das Transportpufferband s. 15
. . . . . . . . . . . . . .
s.
V. Elektroosmotische Verschiebung 19
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
VI. Die Zugabedosierung s. 20
· . . . . . . . . . . . . . . . . .
VII. Der Stromkreis .••. s. 23
· . . . . . . . . . . . . . . . . .
VIII. Die Temperaturmessung s. 24
· . . . . . . . . . . . . . . . . .
s.
IX. Gesamtschema • . . . . 25
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Einleitung
Die Trennung von Stoffgemischen und die Reindarstellung von deren einzel
nen Komponenten gehort zu den wichtigsten Voraussetzungen flir die Erfor
schung von Naturstoffen. Die Schwierigkeiten daflir werden besonders groB,
wenn hochpolymere Naturstoffe vorliegen, z.B. EiweiBstoffe, Kohlenhydrate
oder Verbindungen der Proteine mit Kohlenhydraten. Handelt es sich bei
derartigen Stoffgemischen um solche, die Ionen zu bilden vermogen, so ist
ihre Auftrennung auf Grund ihrer verschiedenen Wanderungsgeschwindigkeit
im elektrischen Spannungsfelde moglich, sofern ~ bei den einzelnen Be-
m
standteilen verschieden ist (e = Ladung, m = Masse). Insbesondere ist
auch die Trennung ionisierter von neutralen Stoffen meist unschwer durch
zuflihren. Mit besonderem Erfolge sind derartige Trennungen von TISELIUS
durchgeflihrt worden, jedoch im wesentlichen auf analytischer oder mikro
praparativer Basis. Es bedeutete einen wesentlichen Fortschritt in Rich
tung auf die Gewinnung groBerer SUbstanzmengen mit Hilfe der Elektro
phorese, als zuerst schwedische und deutsche Forscher die Methode dadurch
verbesserten, daB sie die Losung senkrecht zur Richtung des elektrischen
Feldes langsam stromen lieBen. Es wirken also zwei Krafte senkrecht zu
einander auf das Gemisch der Moleklile. Auf diese Art sollte es moglich
sein, auch groBere Mengen eines Substanzgemischeserfolgreich zu trennen.
Es wurden sowohl von SVENSSON und BRATTSTEN als auch von GRASSMANN und
HANNIG Apparaturen beschrieben, die jedoch wegen verschiedener Mangel,
insbesondere der Unmoglichkeit, die notwendige absolut gleichmaBige Stro
mung der Elektrolyten zu erreichen, in dieser Form nicht brauchbar waren.
Wir haben deshalb (mit R. ENGEL) eine Apparatur entwickelt, die es ge
stattet, durch Dosierpumpen die Bewegung der Fllissigkeit in der
E~ektro
lysier-Klivette und die Dosierung der eingeftihrten Substanzlosung auf das
genaueste durchzuflihren. Ein ahnliches, wenn auch etwas anders arbeiten
des Prinzip, hat inzwischen auch BRATTSTEN eingeflihrt. Alle weiteren
technischen Entwicklungen und der Gesamtaufbau der Apparatur seien im
folgenden beschrieben.
I. Die Klivette
Es galt als erstes die Klivette als Hauptteil der Elektrophorese-Apparatur
so zu konstruieren und zu bauen, daB sich das angegebene Prinzip reali
sieren
~a.Bt.
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Als Material wurde Plexiglas verwendet, da dieser Werkstoff die Beobach
tung aller Teile der Kuvette ermoglicht, ein guter Isolator ist und zudem
gut bearbeitet werden kann. Die geringe Materialfestigkeit wurde in Kauf
genommen und bei der Konstruktion berucksichtigt. Die Unbestandigkeit ge
gen eine Reihe organischer Losungsmittel war zunachst ohne Bedeutung. Die
hier folgenden Abbildungen 1, 2, 3 und 4 zeigen den Aufbau der Kuvette.
Der Kuvetteninnenraum hat die AusmaBe 300 x 200 x 5 mm und ist durch zwei
3 mm-starke Plexiglaswande von den Kuhlkammern getrennt. Nach unten wird
er durch ein Bodenstuck, nach oben durch ein Distanzstuck und nach den
Seiten gegen die Elektrodenraume durch Diaphragmen abgeschlossen. 1m Ge
gensatz zu W. GRASSMANN, der ein speziell gegerbtes Leder als Diaphragma
einsetzt, verwendeten wir zuerst Streifen, die aus "AEROLIT"-Filterkerzen1)
aus Ton- oder Graphitplatten herausgeschnitten wurden. Diese Fritten waren
jedoch entweder zu durchlassig, hatten nicht die notwendige Festigkeit
oder waren in den verwendeten Medien auf die Dauer unbestandig. Als uni
versell geeignetes Material erwies sich "DIAPOR,,1), eine handelsubliche
Filtermasse aus Aluminiumsilikat-Gemischen mit freier Kieselsaure und
Korund. Die empfohlenen Sinterglasfritten waren in der benotigten GroBe
von 330 x 30 x 5 mm nicht zu erhalten.
Die Elektrodenraume sind so angeordnet, daB eine Elektrodenspulflussig
keit (vergl. Abb. 1) durch einen V A-Nippel bei (A) eintreten kann. Sie
2
flieBt dann zwischen den Diaphragmen nach unten, tritt durch den Durch
bruch (B) und stromt an der Platin-Elektrode vorbei nach oben, urn durch
den Austrittsnippel (C) die Kuvette zu verlassen. An der AuBenwand der
Elektrodenraume sind Platin-Bleche (240 x 10 x 0,1 mm) als Elektroden
eingespannt. Sie sind wahlweise als Kathode oder Anode zu schalten. Die
Stromzufuhrung ist durch die Plexiglaswand gezogen und als Stecker ausge
bildet. Die obere Distanzleiste und der Kuvettendeckel sind durchgehend
mit Lochern versehen, durch die vor Inbetriebnahme der Einsatz des Kuvet
tenfullkorpers erfolgt. Durch die gleichen Offnungen werden der Transport
puffer und die zu trennenden Substanzen eingefuhrt.
1. Handelsnamen der Schumacher'schen Fabrik, Bietigheim, der wir fur die
freundliche Uberlassung dieser Materalien und die uns zuteil gewordene
technische Beratung zu Dank verpflichtet sind
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Ein sehr wichtiger Teil der Kuvette ist das Bodenstuck. Es dient als un
tere Distanzleiste und als Unterlage fur den Fullkorper, um des sen Austre
ten aus der Kuvette zu verhindern. Seine Hauptaufgabe aber ist, die gleich
maBige Abfuhrung des Transportpufferbandes auf der gesamten Breite der Ku
vette. Zu diesem Zweck war das Bodenstuck in gleichen Abstanden mit 43 Lo
chern (2,5 mm Durchmesser) versehen. Zur Fllissigkeitsabflihrung nach auBen
ist in jedes dieser Locher ein Plexiglasrohrchen (14 mm lang, 1,5 mm In
nendurchmesser) eingepreBt und verklebt. Der Weiterleitung der Flussig
keit zu den AuffanggefaBen dienen Gummischlauche. Das Eindringen von Teil
chen des Fullkorpers in die AbfluBoffnungen wurde durch Auflegen einer
Filterlage aus Polyacrylnitril-Faser auf das Bodenstuck verhindert. Urn
einen gleichmaBigen AusfluB der Flussigkeit aus der Kuvette zu gewahrlei
sten, wurden samtliche Abflusse mit einer durch Mikrometerschrauben be
dienbaren gemeinsamen Klemmvorrichtung geregelt. Dieser Versuch zur Kon
stanthaltung der DurchfluB- und AusfluBgeschwindigkeit auf relativ ein
fachem Wege bewahrte sich nicht. Die Abdichtung der Kuvette an den StoB
stellen der Einzelteile erfolgt mit endlosen, besonders weichen Gummi-
oder Schaum-PVC-Dichtungen. Diese bewirken eine einwandfreie Dichtheit,
ohne daB die Schraubengewinde im Plexiglas beim Anziehen zu stark bean
sprucht werden mussen. Auch ein zu starkes Zusammenziehen der Kuvette
mittels der beiden Rahmenteile erubrigt sich hierdurch.
Die Diaphragmen sind mit endlosen Dichtungen aus Mooscrepe gegen den Ku
vetteninnenraum abgedichtet. Zur mechanischen der Kunststoff
Entlas~ung
bauelemente ist die Klivette in einen Stahlrahmen eingebaut und dieser
5).
mittels 8 Gummiringen in einem Stahlrohrgestell aufgehangt (Abb.
II. Das Klihlsystem
Die beim Stromdurchgang durch die Kuvette wahrend der Elektrophorese auf
tretende Stromwarme muB unbedingt aus dem Arbeitsraum abgefuhrt werden.
Eine Inkonstanz der Temperatur wurde Schwankungen der elektrischen Ver
haltnisse zur Folge haben und durch das Auftreten von nicht kontrollier
baren Konvektionsstromungen der beabsichtigten Trennung entgegenwirken.
Da es sich um erhebliche Warmemengen handelt, die im Innenraum der Klivet
te auftreten, ist auBerdem eine Schadigung empfindlicher Komponenten der
zu trennenden Substanzen moglich.
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Diesem Zweck dienen die bereits erwahnten Kuhlkammern, die an beiden Seiten
des Arbeitsraumes angelegt sind. Als Kuhlmittel verwendeten wir zunachst
Wasser, dessen Temperaturkonstanz durch einen Thermostaten gewahrleistet
wurde. Die Umlaufpumpe dieses Thermostaten bewirkte gleichzeitig den Kreis
lauf des Kuhlwassers durch die Kammern. Das auf diese Weise erzielbare
Temperaturgefalle zwischen Kuhlkammer und Kuvetteninnenraum reichte nicht
aus, um die anfallende Warmemenge bei der gewunschten Arbeitstemperatur
abzufuhren. Eiswasser als Kuhlmittel zu verwenden, ist fur eine kontinu
ierliche Arbeitsweise indessen keine Losung. Rechnerisch laBt sich er
mitteln, daB beispielsweise bei einer elektrischen Leistung der Appara-
tur von 250 Watt 60 cal.sec-1 abzufuhren sind. Unter Berucksichtigung
der Kuvettendimensionen und der Warmeleitzahlen fur Wasser und Plexiglas
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
muB das Temperaturgefalle hierbei zwischen Arbeitsraum und Ktihlkammer
tiberschlagig 40 °c betragen. Es erwies sich deshalb als notwendig, ein
Ktihlaggregat2) einzusetzen. Die Ktihlfltissigkeit wird nunmehr einem Vor
von 80 I Inhalt, in das der Verdampfer der Kalteanlage einge
ratsgefa~
°c - °c
baut ist, entnommen. Die Temperatur im VorratsgefaB wird auf 0 1
eingestellt und tiber einen RegIer automatisch gehalten. Als Ktihlmittel
bewahrt sich 35 %iger Athylalkohol, der bei der vorliegenden Verdampfer
temperatur noch kein Eis abscheidet lInd gegen den auBerdem das Plexiglas
der Ktivette noch bestandig ist. Ftir die Zirkulation des Ktihlmittels wird
eine von einem Getriebemotor3) angetriebene Zahnradpumpe benutzt. Sie ist
tiberdimensioniert und fordert die nicht zur Ktivettenktihlung benotigte
Fltissigkeitsmenge im Kreis, so daB sie gleichzeitig ftir eine standige
Durchmischung im VorratsgefaB sorgt. Ftir die Ktivettenktihlung werden 100 I
pro Stunde aus dem Ktihlmittelkreislauf abgezweigt und den Ktihlkammern
zugeftihrt. Diese Menge wird mit Hilfe von einschenkligen Manometern be
obachtet und mit eingebauten Hahnen reguliert. Von den Ktihlkammern aus
gelangt die Fltissigkeit zurtick in das VorratsgefaB. Die Temperatur der
Ktihlfltissigkeit wird im VorratsgefaB und auf dem Rtickweg von der Ktivette
gemessen (Abb. 6).
Es zeigte sich, daB bei der ursprtinglichen Konstruktion der Ktihlkammern
keine gleichmaBige Durchstromung des Ktihlraumes erfolgte. Zur Behebung
dieses Mangels wurden in die Ktihlkammern Umleitungen eingebaut, die die
Ausbildung von Stellen hoherer Temperatur ausschlieBen. Sie bestehen in
6 Querrippen, die tiber die Hohe des Ktihlraumes verteilt sind. Die gleich
maBige Verteilung der Ktihlfltissigkeit wird durch Durchgange mit verschie
denem Querschnitt erzwungen. Die Wirksamkeit der Einbauten wurde an Hand
eines Farbstoffstromungsbildes experimentell geprtift (Abb. 1). AuBerdem
bewahren sich die Querrippen auch als Versteifungen, da sich beim Arbei
ten mit der Ktivette herausstellte, daB die aus Grtinden des Warmetibergangs
nur 3 mm stark gewahlte Wand aus Stabilitatsgrtinden eine Verstarkung not
wendig hat. Unter dem EinfluB von Druckschwankungen in Ktihlkammer und
Innenraum wirkte die nicht durch Querrippen verstarkte Wand namlich wie
eine bewegliche Membran, wodurch Veranderungen der Ftillkorperpackung
auftraten.
2. BBC-Aggregat; Type F 1 L; 0,85 kW; Frigen Ftillung
3. WKV 3,8/4; 185 Watt; 1400/410 U/min
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