Comparing the Energy Consumption of Different UHPLC Systems

Význam tématu

Laboratoře patří mezi nejvíce energeticky náročné provozy v průmyslu. Snížení spotřeby energie v analytických přístrojích přispívá ke snižování ekologické stopy i provozních nákladů. Porovnání energetické účinnosti různých UHPLC systémů umožňuje laboratořím vybrat optimální přístroj pro daný objem vzorků a provozní podmínky a maximalizovat poměr počtu vzorků k množství spotřebované energie.

Cíle a přehled studie

Studie si klade za cíl porovnat čtyři komparabilní UHPLC systémy (Agilent 1290 Infinity II, Shimadzu Nexera LC-40 X3, Thermo Scientific Vanquish Flex, Waters Acquity H-Class Plus Bio) ve třech provozních stavech: idle (nečinnost), ready (pohotovost) a run (analýza). Cílem bylo změřit energetickou spotřebu během typického pracovního dne, vypočítat denní spotřebu a určit energii na analyzovaný vzorek.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Definice provozních stavů: idle (vypnuté pumpy a detektor, zapnutý termostat vzorků), ready (vše zapnuté, bez injekcí), run (30 injekcí v průběhu 2 h).
• Měření spotřeby energie po dobu 2 h v každém stavu pomocí CLM 221 wattmetru (Christ Electronic) a dataloggeru ALMEMO 2590 (Ahlborn).
• Simulace běžné náplně autosampleru 64 vialek s 1,5 mL vody pro realistickou zátěž.
• Chromatografické podmínky: kolona ZORBAX RRHD Eclipse Plus C18 (2,1×50 mm, 1,8 µm), gradient voda/methanol, průtok 0,8 mL/min, teplota kolony 40 °C, detekce DAD 280 nm, objem injekce 1,25 µL.

Použitá instrumentace:

• Agilent 1290 Infinity II LC: Flexibilní pumpa G7104A, multisampler G7167B, multicolumn termostat G7116B, DAD detektor G7117B.
• Shimadzu Nexera LC-40 X3: LC-40B X3 Solvent Delivery Module, SIL-40C X3 Autosampler, CTO-40S Column Oven, SPD-M40 PDA detektor, SCL-40 controller.
• Thermo Scientific Vanquish Flex: vf-P20-A Quaternary Pump, vh-A10-A Autosampler, vh-C10-A Column Oven, vh-D10-A DAD detektor.
• Waters Acquity H-Class Plus Bio: Bio Quaternary Solvent Manager, Sample Manager FTN, Column Manager, TUV detektor.
• Měřicí přístroje: CLM 221 wattmetr, ALMEMO 2590 datalogger.
• Software: Agilent OpenLab CDS 2.6, Thermo SII pro OpenLab CDS 1.2.0.359, Waters Acquity ovladače 2.4.21, Shimadzu LabSolutions 5.97 SP1.
• Solventy: methanol LC-gradient grade, ultrapure voda z Milli-Q systému s 0,22 µm membránou.

Hlavní výsledky a diskuse

Spotřeba energie v idle stavu byla u Agilent a Thermo srovnatelná, Shimadzu o něco úspornější a Waters nejvyšší. V ready a run stavech se rozdíly prohloubily, přičemž Waters významně převyšoval ostatní tři výrobce.
Extrapolovaná denní spotřeba (8 h run, 2 h ready, 14 h idle) dosahovala u Agilent, Shimadzu a Thermo hodnot kolem 4,5–5,0 kWh, u Waters přibližně 6,7 kWh. Počet vzorků analyzovaných během 8 h run (25–28) ovlivnil výslednou energii na vzorek: nejnižší spotřebu na vzorek vykázalo Thermo, následovalo Shimadzu a Agilent, nejvyšší bylo u Waters. Prodloužení run na 16 h dále snížilo energii na vzorek, přičemž Thermo se umístilo na prvním místě.

Přínosy a praktické využití metody

Porovnání umožňuje laboratořím:

• Vybrat UHPLC systém s ohledem na energetickou náročnost a předpokládanou denní zátěž.
• Optimalizovat provozní režimy (idle/ready/run) pro minimalizaci spotřeby energie na vzorek.
• Snížit náklady na provoz a ekologickou zátěž laboratoře.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Vývoj nízkoenergetických modulů a pokročilých úsporných režimů (standby, spánek).
• Integrace s laboratorními informačními systémy pro automatizované řízení provozních stavů.
• Využití obnovitelných zdrojů energie a optimalizace chlazení vzorků.
• Nasazení strojového učení pro predikci spotřeby a dynamickou optimalizaci harmonogramu analýz.

Závěr

Energetická účinnost UHPLC systémů se značně liší v různých provozních stavech i v závislosti na počtu analyzovaných vzorků. Pro výběr optimálního přístroje je zásadní hodnotit nejen denní spotřebu, ale i spotřebu na jednotku vzorku. Agilent, Shimadzu a Thermo dosahují podobné úrovně efektivity, zatímco Waters vykázal výrazně vyšší spotřebu.

Reference

• Rieck F. Do You Know the Environmental Impact of Your HPLC? Energy consumption of four InfinityLab LC systems during routine operation. Agilent Technologies Technical Overview, 5994-2335EN, 2022.