改进的模拟移动床色谱分离系统.pdf

本发明涉及改进的模拟移动床色谱分离系统，分离系统可由II区、III区和IV区开环串联组成，每个区的色谱柱数≥1；其中，洗脱液入口和原料液入口之间为II区，原料液入口和萃余液出口之间为III区，萃余液出口和萃取液出口之间为IV区；分离系统还可由II区、III区和IV区依次组成，II区与III区断开，III区与IV区串联，每个区的色谱柱数≥1；其中，洗脱液入口和原料液入口之间为II区，原料液入口和萃余液出口之间为III区，萃余液出口和萃取液出口之间为IV区。本发明分离系统可降低固定相用量进而减少成本，与此同时，还能降低系统压力，提高模拟移动床色谱分离系统的操作稳定性。

1、  一种改进的模拟移动床色谱分离系统，其特征在于：该分离系统由II区、III区和IV区开环串联组成，每个区的色谱柱数≥1；其中，洗脱液入口和原料液入口之间为II区，原料液入口和萃余液出口之间为III区，萃余液出口和萃取液出口之间为IV区。

2、  一种改进的模拟移动床色谱分离系统，其特征在于：该分离系统由II区、III区和IV区依次组成，II区与III区断开，III区与IV区串联，每个区的色谱柱数≥1；其中，洗脱液入口和原料液入口之间为II区，原料液入口和萃余液出口之间为III区，萃余液出口和萃取液出口之间为IV区。

改进的模拟移动床色谱分离系统
技术领域
本发明涉及一种改进的模拟移动床色谱分离系统。
背景技术
模拟移动床(Simulated Moving Bed，SMB)最初由环球油品公司(UOP Inc.)实现在石油化工领域的工业运转，至今已有50多年发展历史。模拟移动床由多根色谱柱首尾相接成一闭环。洗脱液入口、萃取液出口、原料液入口和萃余液出口将模拟移动床分为四个区：在洗脱液入口和萃取液出口之间称为I区；在萃取液出口和进料液入口之间为II区；在进料液入口和萃余液出口之间则为第III区；在萃余液出口和洗脱液入口之间为IV区。每隔一定时间，四股物料的进、出口位置分别沿流动相方向移动至下一根柱子出口(或各根柱子均沿流动相逆向移动一根柱长)，以此来模拟固定相和流动相之间的逆流移动。
上述I～IV区分别承担不同的功能。I区又称固相再生区，强吸附组分在该区被解吸而得以再生固定相，故强吸附组分将随流动相朝萃取液出口移动；II区和III区的功用相同，强组分在这两区均被固定相吸附而沿着固定相的模拟逆流方向朝萃取液出口移动，弱组分则被流动相解吸而随着流动相向萃余液出口移动，可见强、弱吸附组分在这两区得到分离，故II～III又被称为分离区；IV区中，弱吸附组分被固定相吸附而沿着固定相的模拟逆流方向朝萃余液出口移动，流动相在此区得到再生，故IV区也被称为流动相再生区。
这种独特的固定相和流动相之间的模拟逆流操作特征，一方面保持了固定床间歇制备色谱的优点，避免了实现固定相真正逆流的困难；另一方面则发挥逆流的特点，增大了液固两相间的传质推动力，固定相和流动相得到充分利用，从而从根本上实现了色谱的连续操作，分离效率得以提高。
但模拟移动床也存在一些局限性。首先，因为将多根柱子串联，固定相用量大，这对于一些特殊的分离场合，因要用到特殊且昂贵的固定相，例如手性分离需要用到昂贵的手性固定相，这无疑将增加成本。其次，操作压力大，而每根柱子或四个物料进出口位置均需定期切换，使得其结构复杂，这对系统密封性和稳定性要求很高。如能在不影响产品纯度的前提下，省去某个区间则能有效解决上述问题。例如，将IV区省去，即一种开环结构的模拟移动床。在这一方法中，III区流出液全部收集为萃余产品。但仍如传统的模拟移动床操作，I区的固相再生仍需保证，I区的流量最大，系统压力实际上取决于I区流量。故开环结构的模拟移动床虽然减少了固定相用量，但并不能降低系统压力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是改进现有技术的上述限制条件，从而提供一种改进的模拟移动床色谱分离系统，以降低固定相用量进而减少成本，与此同时，还能降低系统压力，提高模拟移动床色谱分离系统的操作稳定性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种改进的模拟移动床色谱分离系统，该分离系统由II区、III区和IV区开环串联组成，每个区的色谱柱数≥1；其中，洗脱液入口和原料液入口之间为II区，原料液入口和萃余液出口之间为III区，萃余液出口和萃取液出口之间为IV区。
本发明解决上述技术问题所采用的另一技术方案为：一种改进的模拟移动床色谱分离系统，该分离系统由II区、III区和IV区依次组成，II区与III区断开，III区与IV区串联，每个区的色谱柱数≥1；其中，洗脱液入口和原料液入口之间为II区，原料液入口和萃余液出口之间为III区，萃余液出口和萃取液出口之间为IV区。
所述改进的模拟移动床色谱分离系统的使用方法为：将洗脱液和原料液直接分别从洗脱液入口和原料液入口泵入所述分离系统，然后从萃余液出口和萃取液出口分别收集萃余液和萃取液；每隔一定周期将四个物料口分别沿流动相方向移动一根色谱柱柱长的距离。
该技术方案用于分离的原理说明如下：IV区最后一根柱子实际上是上一个切换周期(第n-1次)中的II区第一根柱子，其靠近入口端的固定相已在上一个切换周期(第n-1次)得到再生，只剩下靠近出口端的固定相需要在当前切换周期(第n次)再生。而从IV区其他柱子流出的溶液(含有弱吸附组分)流入该根柱子，此时柱子入口端的一部分固定相正好已在上一切换周期得到再生，故其可以吸弱吸附组分，以再生流动相。得到再生的流动相则继续向前流动，并解吸该根柱子后部尚未脱附的强组分吸附后沿，达到再生固定相的目的。这样固定相和流动相的再生在该根柱子内部不断进行，能使位于IV最后一根柱子内部的弱组分吸附前沿和强组分脱附后沿不互相重叠以保证分离完全。最后当弱组分吸附前沿正好达到该根柱子出口时，所有柱子再次切换，重新开始接下来的切换周期(第n+1次)的分离。上述过程如此不断循环往复进行。
从上可知，与现有技术相比，本发明提供的分离系统中，强组分吸附后沿的脱附实际上是先后在II区和IV区内部完成。从而可以省掉I区，达到降低固定相用量进而减少成本的目的，与此同时，系统操作压力和稳定性得到提高。
附图说明
图1为传统模拟移动床结构示意图。
图2为本发明改进的模拟移动床色谱分离系统的结构示意图。
图3为本发明改进的模拟移动床色谱分离系统的另一结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，模拟移动床由8根色谱柱首尾相接成一闭环。洗脱液入口、萃取液出口、原料液入口和萃余液出口将模拟移动床分为四个区：在洗脱液入口和萃取液出口之间称为I区；在萃取液出口和进料液入口之间为II区；在进料液入口和萃余液出口之间则为第III区；在萃余液出口和洗脱液入口之间为IV区。每隔一定时间，四股物料的进、出口位置分别沿流动相方向移动至下一根柱子出口(或各根柱子均沿流动相逆向移动一根柱长)，以此来模拟固定相和流动相之间的逆流移动。
图2为一种改进的模拟移动床色谱分离系统，该分离系统由II区、III区和IV区开环串联组成，每个区的色谱柱数为2；其中，洗脱液入口和原料液入口之间为II区，原料液入口和萃余液出口之间为III区，萃余液出口和萃取液出口之间为IV区。
图3为另一种改进的模拟移动床色谱分离系统，该分离系统由II区、III区和IV区依次组成，II区与III区断开，III区与IV区串联，每个区的色谱柱数为2；其中，洗脱液入口和原料液入口之间为II区，原料液入口和萃余液出口之间为III区，萃余液出口和萃取液出口之间为IV区。
作为对比，我们分别采用常规模拟移动床系统(对比例)和本发明的改进的模拟移动床色谱分离系统(实施例1、2)来分离辣椒碱和二氢辣椒碱。辣椒碱和二氢辣椒碱的原料购自贵州五倍子有限公司，其中辣椒碱含量68％，二氢辣椒碱含量28％，此外还含有少量降二氢辣椒碱和高辣椒碱等，试验中只考虑辣椒碱和二氢辣椒碱的分离。原料液浓度为10g/L，操作温度30℃。洗脱液和原料液的溶剂组成为甲醇/水(体积比为65/35)。分离试验得到的萃取液(关键组分为二氢辣椒碱)和萃余液(关键组分为辣椒碱)用高效液相色谱分析。色谱条件：色谱柱为hypersil C18柱(15cm×0.46cm，大连伊利特)，流动相为乙腈/水(体积比为50/50)，流速0.8mL/min，检测波长280nm。
实施例1
模拟移动床实验装置为Pilot SystemC916(德国Knauer)，并对之进行如图2所示的改装：省去I区，其余II～III各区分别安排2根hypersil C18柱(10cm×1.0cm，大连伊利特)。洗脱液直接泵入II区；原料液则从II区和III区之间泵入分离系统；萃余液从III区出口收集；萃取液则从IV区出口收集。每隔一定时间四股物料口位置分别沿流动相方向移动至下一根柱子出口。各区流速和切换时间等列于表1。II～IV区中，III区的压力最大，为3.5Mpa。
实施例2
模拟移动床实验装置为Pilot SystemC916(德国Knauer)，并对之进行如图3所示的改装：省去I区，其余II～III各区分别安排2根hypersil C18柱(10cm×1.0cm，大连伊利特)。直接用洗脱液冲洗II区，并从IV区出口收集萃取液。将II区与III区断开，原料液直接流入III区。II区出口液则定时收集，并补充流动相和原料后，与原料液合并流入III区。各区流速和切换时间等列于表1。I～IV区中，III区的压力最大，为3.5Mpa。
对比例
常规模拟移动床试验
模拟移动床实验装置为Pilot SystemC916(德国Knauer)，每区分别安排2根hypersil C18柱(10cm×1.0cm，大连伊利特)，各区流速和切换时间等操作条件列如表1。I～IV区中，I区压力最大，为4.5Mpa。
表1本发明的改进的模拟移动床色谱分离系统与常规模拟移动床分离系统的分离性能比较

表1中，纯度分别为辣椒碱和二氢辣椒碱的纯度；溶剂消耗为处理单位质量的原料所消耗的溶剂体积，原料处理率则为单位柱体积在单位时间可处理的原料量。
从表1，本发明提供的模拟移动床色谱系统，其分离时II～IV区流量和切换时间均与传统模拟移动床相同，在略去I区的情况下，产品纯度与传统模拟移动床分离系统分离没有变化，但降低了固定相用量，故单位柱体积上处理的原料量(即原料处理率)得以提高，其中尤以实施例2最为突出。而且，系统压力也从4.5Mpa降低至3.5Mpa。改进的分离系统压力和固定相用量降低，这对于某些特定场合，比如溶剂价格低廉和/或固定相价格昂贵的分离体系，将十分有利于降低成本。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。