自主設(shè)計(jì)研發(fā)模擬移動(dòng)床（SMB-WK500-10L）色譜分離系統(tǒng)

一、 色譜原理

    為了清楚地說(shuō)明模擬移動(dòng)床色譜的原理，我們先簡(jiǎn)化一下系統(tǒng)中的設(shè)備連接，假設(shè)系統(tǒng)中的色譜柱首尾相連成為一個(gè)圓形的閉合柱，在內(nèi)部計(jì)量泵的作用下，流動(dòng)相沿順時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)，另一方面，由于系統(tǒng)中閥門有規(guī)律地旋轉(zhuǎn)以及適當(dāng)?shù)拈g隔，使得系統(tǒng)中兩個(gè)進(jìn)口和兩個(gè)出口每隔一定時(shí)間同時(shí)也向著順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，移動(dòng)的結(jié)果類似于色譜柱中的固定床向逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，樣品溶液也同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)地輸入，在剛開(kāi)始的那一個(gè)點(diǎn)，混合樣品液還未有得到絲毫的分離，示意圖如圖-5。

 

     圖－5模擬移動(dòng)床剛進(jìn)樣時(shí)的分離狀態(tài)

    當(dāng)系統(tǒng)工作一段時(shí)間后，樣品在流動(dòng)相的沖洗下不斷的向前移動(dòng)，樣品組分也開(kāi)始慢慢地得到部分的分離，進(jìn)樣口和出樣口通過(guò)系統(tǒng)中閥門的關(guān)閉也同時(shí)向前移動(dòng)但移動(dòng)的速度和每次間隔的時(shí)間應(yīng)該始終保證進(jìn)樣點(diǎn)在雙組分還沒(méi)有得到分離而仍然重合的區(qū)間范圍，如圖-6所示。

          圖－6 模擬移動(dòng)床進(jìn)樣              圖－7模擬移動(dòng)床進(jìn)樣一段
                后的初步分離狀態(tài)                  時(shí)間后達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)

    只要優(yōu)化好閥門每次轉(zhuǎn)換開(kāi)閉的間隔時(shí)間，調(diào)節(jié)好進(jìn)出口同時(shí)向前移動(dòng)的速度大小，優(yōu)化好兩個(gè)進(jìn)口和兩個(gè)出口單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入和抽出的溶液的量，當(dāng)系統(tǒng)持續(xù)工作一定的時(shí)間后，柱中的混合物就會(huì)達(dá)到相當(dāng)程度的分離，并且能保持柱中的濃度分離曲線始終為一個(gè)不變的分布狀態(tài)。這時(shí)就能連續(xù)不斷地進(jìn)樣，同時(shí)在系統(tǒng)的兩個(gè)出口連續(xù)不斷的得到被分離的兩個(gè)組分的產(chǎn)品。其分離示意見(jiàn)圖－7。因此，模擬移動(dòng)床在工作時(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題是如何優(yōu)化和調(diào)節(jié)各種操作參數(shù)，恰當(dāng)?shù)赝瑫r(shí)移動(dòng)系統(tǒng)的兩個(gè)進(jìn)口和出口，始終保持柱中的組分分布情況為一不變的濃度分布狀態(tài)，這樣就可以連續(xù)地進(jìn)樣，連續(xù)地得到產(chǎn)品。關(guān)于模擬移動(dòng)床分離過(guò)程中雙組分的濃度分布曲線，還可以清楚地表示為圖－8。

     圖－8 模擬移動(dòng)床色譜的操作原理和內(nèi)部的樣品濃度分布情況

    在圖-8中可以看到色譜柱中的四個(gè)區(qū)域，*區(qū)域是流動(dòng)相入口與抽提物出口之間的范圍，在這個(gè)區(qū)間，流動(dòng)相對(duì)吸附劑進(jìn)行脫吸附而使分離材料得到再生；第二個(gè)區(qū)域使抽提液出口與樣品液入口之間，第三個(gè)區(qū)域是樣品液與剩余液出口之間，這兩個(gè)區(qū)間主要完成混合物的分離，容易被吸附的組分在柱中移動(dòng)速度較慢，慢慢地積累于第二區(qū)帶，而吸附能力弱的另一組分在色譜柱中有較快的移動(dòng)速度，因此慢慢地集中在第三區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域?qū)旌衔锏姆蛛x起著非常重要的作用；第四區(qū)域是剩余液出口與流動(dòng)相入口之間，其作用是使流動(dòng)相得到再生。在整個(gè)過(guò)程中，始終保持在第二和第三區(qū)域的交叉處進(jìn)樣，始終可以在*區(qū)域和第二區(qū)域得到我們所需要的產(chǎn)品。從圖－8可見(jiàn)，被分開(kāi)的組分可以及時(shí)地將它抽出收集，而沒(méi)有得到分開(kāi)的混合物始終在柱中循環(huán)。柱中每一個(gè)部分的分離材料和流動(dòng)相都在同時(shí)發(fā)揮著自己的作用，在分離過(guò)程中基本上沒(méi)有浪費(fèi)的部分和環(huán)節(jié)這也是該方法高產(chǎn)率、低消耗的根本原因。模擬移動(dòng)技術(shù)當(dāng)年是從石油化工開(kāi)始應(yīng)用，而今在制藥、離子交換、脫色、化合物的分離和凈化等方面利用，由于利用面廣，其命名也多樣化，但其原理基本不變。

二、模擬移動(dòng)工藝分離技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.可連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)品純度、收率穏定

2.長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)高效，可減少費(fèi)用50%

3.吸附劑可節(jié)省50%

4.再生等藥劑可減少30%以上

5.產(chǎn)品純度可提高1-10%

6.可全自動(dòng)運(yùn)行，省時(shí)、省工

7.裝置占地面積可降低40%

三、模擬移動(dòng)床應(yīng)用領(lǐng)域

1 石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用

    該技術(shù)在20世紀(jì)70年代到80年代主要用于石油產(chǎn)品的分離,其本身就是在研究分離石油產(chǎn)品的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的。1969年美國(guó)UOP公司將模擬移動(dòng)床色譜技術(shù)用于分離對(duì)二甲苯和間二甲苯,該分離過(guò)程被其稱為Parex過(guò)程。同時(shí)UOP公司還將該技術(shù)應(yīng)用于其他工業(yè)級(jí)的石油產(chǎn)品的分離過(guò)程中。如:對(duì)甲*和間甲*的分離;從C8芳香族化合物中分離乙苯;從煤油C4烯烴混合物中分離丁烯-1;從蒎烯混合物中分離β-蒎烯等[17,18]。Toray工業(yè)公司建造了年產(chǎn)p-二甲苯10萬(wàn)噸的模擬移動(dòng)床裝置。他們將該分離過(guò)程稱為Aromax過(guò)程。

2 制糖工業(yè)中的應(yīng)用

    果糖在人體中的代謝不需經(jīng)過(guò)胰島素的作用,因此常將其用于糖尿病患者。果糖來(lái)源于蔗糖的水解產(chǎn)物,該水解產(chǎn)物是果糖和葡萄糖的混合物。由于果糖和葡萄糖是同分異構(gòu)物,因此常規(guī)方法難以將之分離。模擬移動(dòng)床色譜分離果糖和葡萄糖是當(dāng)前zui佳的方法。葡萄糖和果糖的分離，可能是目前制糖工業(yè)分離中規(guī)模zui大的。由于這是一個(gè)典型的二組分分離，因此利用SMB的優(yōu)勢(shì)是很明顯的。利用SMB分離葡果糖已經(jīng)有很成熟的工業(yè)化實(shí)例。該分離通常是選擇一種ca型的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂作為固定相，利用熱水作為洗脫劑。由于果糖和Ca離子形成一個(gè)復(fù)合體而被阻流在柱中，而葡萄糖和其它寡糖則被洗脫劑帶走。進(jìn)料為轉(zhuǎn)化糖漿，其中含有42%的果糖。利用MB分離后，在提取液中果糖濃度為90一94%，回收率在90%以上;提余液中葡萄糖的濃度也大于80%。利用SMB技術(shù)進(jìn)行糖的分離，節(jié)約了樹(shù)脂用量，節(jié)省了洗脫劑的消耗，提高了生產(chǎn)自動(dòng)化程度，使得整個(gè)過(guò)程的費(fèi)用降低。而且過(guò)程中的排污很少，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，有利于環(huán)保工作。SMB還廣泛用于其它糖類的生產(chǎn)中，如在其它單糖的分離中，如木糖和阿拉伯糖以及木糖和葡萄糖的分離。此外從二糖中分離單糖或是不同二糖之間的分離也是人們感興趣的研究應(yīng)用之一。彭奇均等對(duì)木糖和*的分離進(jìn)行了一系列的研究。KyuBocm等對(duì)葡萄糖、麥芽糖和麥芽三糖的分離進(jìn)行了探索Marinaa等利用離子排斥色譜對(duì)葡萄糖（主要作為血漿代用品）分離進(jìn)行了研究。如今在糖醇工業(yè)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化色譜分離工藝的，大部分采用了SMB分離技術(shù)。
3 手性化合物的分離

    隨著生物技術(shù)和醫(yī)藥技術(shù)的快速發(fā)展,越來(lái)越多的手性化合物需要分離。由于模擬移動(dòng)床色譜分離兩組分體系的高效率,因此在手性化合物的分離方面有著大量的應(yīng)用。針對(duì)不同的手性化合物,模擬移動(dòng)床色譜分離的規(guī)模有著很大的差別。如Pedeferri采用模擬移動(dòng)床色譜分離了g級(jí)的Troger堿, Nagamatsu則分離得到了kg級(jí)的DOLE（一種用于生產(chǎn)降*藥物的中間體）。Peper等利用超臨界模擬移動(dòng)床色譜分離了*（ibuprofen）異構(gòu)體。還有一些學(xué)者采用模擬移動(dòng)床色譜分離了Tramadol、Guaifenesin、EMD53986等。

4 中藥有效成分分離

    中藥植物資源豐富、品種浩瀚繁多、成分復(fù)雜、藥效各異,要研制得成分明確、藥理藥效清楚、療效穩(wěn)定、有效成分含量可控的中成藥,首先必須利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),改變傳統(tǒng)制藥工藝和監(jiān)測(cè)手段,要實(shí)現(xiàn)這一目的,分離技術(shù)是關(guān)鍵。中藥現(xiàn)代化是國(guó)家重要戰(zhàn)略任務(wù)。其具體目標(biāo)已體現(xiàn)在8個(gè)部委聯(lián)合制定的綱要中（2002-2010）。在該綱要中至少有五項(xiàng)與精細(xì)分離有關(guān)。尤其是100種新藥,200種對(duì)照品。但從目前情況看,精細(xì)分離技術(shù)在中藥的純化分離領(lǐng)域中的應(yīng)用數(shù)量少,潛力大。以銀杏為例,在我國(guó)從事浸膏原料（含24%黃酮,6%內(nèi)酯）的生產(chǎn)廠約有100家,浸膏平均價(jià)約220元/kg。但能分離到總黃酮與總內(nèi)酯的只有10多家,做得的總內(nèi)酯含量90%以上,價(jià)格為11萬(wàn)元/kg。要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化精細(xì)分離,如分離內(nèi)酯中的內(nèi)酯B單體（價(jià)格為160萬(wàn)元/kg）zui多只有幾家。中藥和天然藥物作為藥物的重要來(lái)源,已經(jīng)受到*研究人員的重視,為了開(kāi)發(fā)和研究中藥和天然藥物中的有效成分,新技術(shù)和新方法將不斷出現(xiàn),這對(duì)中藥和天然藥物中有效成分的分離提純可以起到積極的推動(dòng)作用。模擬移動(dòng)床色譜技術(shù)與我國(guó)的中藥有效成分的分離相結(jié)合,為藥物生產(chǎn)提供模擬移動(dòng)床設(shè)備,為藥物生產(chǎn)提供高純度的中藥有效部位及單一成分的中間體（如銀杏內(nèi)酯B等）,這可能是提高中藥有效成分分離水平的切實(shí)和有效的方法之一。

5 其他應(yīng)用

    模擬移動(dòng)床色譜不僅可用于石化產(chǎn)品、糖醇、手性化合物的分離,還可廣泛地應(yīng)用于其他物質(zhì)的分離。Wang等進(jìn)行了模擬移動(dòng)床色譜分離氨基酸的研究。Mazzotti等研究了超臨界模擬移動(dòng)床色譜分離技術(shù)。Gottschlich等研究了單克隆抗體的模擬移動(dòng)床色譜分離。Houwing等采用梯度模擬移動(dòng)床離子交換色譜分離了蛋白質(zhì)。Juza等采用氣相模擬移動(dòng)床色譜分離了一種揮發(fā)性的麻醉劑*（enflurane）。國(guó)內(nèi)學(xué)者李勃等在高分子樹(shù)脂柱和模擬移動(dòng)床色譜系統(tǒng)上分離得到了高純度的*。模擬移動(dòng)床色譜還可應(yīng)用于同位素的分離,如H和D,D和T,16O和17O等。模擬移動(dòng)床技術(shù)還可以與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程相結(jié)合,構(gòu)成模擬移動(dòng)床反應(yīng)色譜裝置。在該裝置中,模擬移動(dòng)床的固定相是一種催化劑,物料經(jīng)固定相催化,生成兩種新的物質(zhì);同時(shí),該固定相對(duì)這兩種新物質(zhì)的吸附作用力是不同的,從而起到分離作用。Kawase等采用該技術(shù),分離得到蔗糖與乳糖的反應(yīng)產(chǎn)物乳蔗糖和葡萄糖。

    綜上所述,將模擬移動(dòng)床技術(shù)與其他的色譜技術(shù)相結(jié)合,就成為各種不同功能的模擬移動(dòng)床色譜。