模擬移動床色譜(SMBC)

1、模擬移動床色譜（SMBC）前 言SMBC原理SMBC的應(yīng)用SMBC的發(fā)展前景SMBC評價指標前 言 模擬移動床(SMB)色譜分離技術(shù)是20 世紀60 年代發(fā)展起來的一種現(xiàn)代化分離技術(shù), 具有分離能力強, 設(shè)備體積小, 投資成本低, 便于實現(xiàn)自動控制并特別有利于分離熱敏性及難以分離的物系等優(yōu)點, 在制備色譜技術(shù)中最適用于進行連續(xù)性大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。 SMB 技術(shù)的興起是化工技術(shù)中的一次革新, 其應(yīng)用范圍也不斷擴大, 遍及石油、精細化工、生物發(fā)酵、醫(yī)藥、食品等很多生產(chǎn)領(lǐng)域, 尤其在同系化合物、手性異構(gòu)體藥物、糖類、有機酸和氨基酸等混合物的分離中顯示出其獨特性能。推動模擬移動床色譜研究的力量，源自于

2、手性藥物市場的需求。但是，隨著生命科學的發(fā)展，人們越來越認識到，外消旋體藥物中對應(yīng)異構(gòu)體的錯誤使用是一種嚴重的藥物污染，其毒副作用有時可能比具有醫(yī)藥活性的對映體的療效要大得多。“反應(yīng)?！北瘎【褪且粋€典型的案例?！胺磻?yīng)?！钡腞-構(gòu)型是一種有效的鎮(zhèn)靜劑，而其S-構(gòu)型卻是一種強致畸劑，孕婦服用后產(chǎn)生了1萬多起畸胎悲劇，被稱為“20世紀最大的藥物災(zāi)難”。這些具有不同藥理作用的外消旋體藥物就像兩種藥物，只有將其分為兩種單一的對映體，才能對癥下藥。在手性藥物研發(fā)中，為滿足用純對映體進行生物活性測試、毒性研究和臨床試驗的需要，一般而言需要1Kg左右的單一對映體藥物。與手性藥物的化學拆分法、酶法拆分、不對稱合

3、成等方法相比，模擬移動床色譜具有周期短、成本低、風險小、分離效率高、固定相利用率高、流動相循環(huán)使用、自動化連續(xù)操作等優(yōu)勢，已被國際上公認為制備規(guī)模拆分手性藥物的最有效手段。模擬移動床色譜原理圖1 SMB工作原理圖1-a1-b 對于傳統(tǒng)的單柱色譜, 假設(shè)是一個兩組分分離體系, 當脈沖進樣后用適當?shù)娜軇┫疵摃r就產(chǎn)生如圖1-a 的效果: 一個物質(zhì)移動慢, 另一個物質(zhì)移動快, 當色譜柱足夠長時兩者將最終分開。這與龜兔賽跑的情形相似, 兩者的距離會越落越遠。如果假設(shè)龜兔賽跑的跑道是會逆向移動的, 并且移動速度介于龜與兔之間, 這樣就好像是龜在往后走, 兔在往前走。最終龜與兔分別從跑道的兩頭下來, 如圖1

4、-b 所示。圖2 移動床色譜示意圖移動床分成4 個區(qū)域, 原料(A+ B, A 為弱吸附組分, B為強吸附組分) 從、區(qū)之間連續(xù)進入, 流動相由下往上移動, 固定相以介于A 和B 之間的速度向下移動, 最終從兩個出口可以分別得到純的提取液(Extract)B 和提余液(Raffinate) A。圖2中Q1 Q4分別為區(qū) 的流動相流量; Qr, Qf, Qe, Ql 分別為提余液流量、進樣流量、提取液流量、洗脫液流量; Q 為固定相流量。分離過程中, 由于固定相是以一定速度往下移動的, 因此待分離組分將不會像在單柱色譜中那樣隨流動相往同一方向移動。只要適當控制固定相的移動速度, 弱吸附組分A 將

5、往上移動, 而強吸附組分B 將往下移動。當系統(tǒng)運行一段時間后, 系統(tǒng)中組分的濃度分布將是穩(wěn)定的。模擬移動床的技術(shù)指標a.與設(shè)備結(jié)構(gòu)有關(guān)的指標1. 色譜柱數(shù)量SMB 的色譜柱數(shù)量是指分離單元的總數(shù)量。理論上柱數(shù)越多, 分離越精細, 主產(chǎn)品純度越高。但柱數(shù)越多, 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復雜, 反而易造成其它性能指標的下降。2.柱長、柱徑、柱壓降SMB的柱數(shù)確定后, 增大柱徑是增大進料量的有效途徑。但柱徑增大會造成流速的徑向滯后, 以及出現(xiàn)流速分布不均勻, 從而造成譜帶展寬, 直接結(jié)果是主產(chǎn)品含量降低。為克服柱徑增大引起的柱效下降的問題, 一般需要增加柱長。當填充均勻時, 理論上柱效與柱長成正比。因柱壓降也與

6、柱長成正比, 所以柱長增加也帶來柱壓降增大。因此, 實際的柱效并不完全與柱長成正比。柱壓降與柱結(jié)構(gòu)、泵動力和分離劑粒徑有關(guān)。相同的柱結(jié)構(gòu), 分離劑粒徑越小, 柱壓降越大。一般柱壓降為 0.02M Pa /m。分離劑粒徑小,對分離效果有利。b.與分離效果有關(guān)的指標1. 分離強度 單位時間內(nèi)一定體積的分離劑能處理的原料的干物重, 稱為分離強度。不同的分離劑, 對相同物質(zhì)的分離, 其分離強度是不同的。同樣地, 相同的分離劑, 對不同物質(zhì)的分離, 其分離強度也不同的。分離強度并不是越高越好, 實際應(yīng)用中尚需考慮其他如濃 度、運行成本等綜合指標。 2.分離純度和分離濃度由于不同物質(zhì)的性能不同, 或原料進

7、料時的含量不同, 所以不同物質(zhì)的分離純度有所區(qū)別。分離液保持比較高的濃度, 可降低后處理的能耗。在進料進解吸劑比例相同的情況下, 進料濃度越高, 出料濃度就會越高, 相應(yīng)濃縮或蒸餾需要的能耗就越低。3.料劑比料劑比是評價SMB的重要指標之一, 也是影響分離能力的關(guān)鍵。模擬移動床運行時, 每一升原料液, 需要加入的解吸劑 的量越小, 表示模擬移動床分離效果越好。模擬移動床色譜應(yīng)用1.模擬移動床色譜技術(shù)在石油化工領(lǐng)域中的應(yīng)用1969 年美國 UOP 公司將模擬移動床色譜技術(shù)用于分離對二甲苯和間二甲苯；同時 UOP 公司還將該技術(shù)應(yīng)用于其他工業(yè)級的石油產(chǎn)品的分離過程中。如：對甲苯酚和間甲苯酚的分離，

8、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 - 蒎烯等。我國于 20 世紀 70 年代初開始引進的對二甲苯吸附分離技術(shù)，到目前，我國石油化工系統(tǒng)已陸續(xù)引進了近 10 套模擬移動床吸附分離生產(chǎn)裝置，吸附劑總裝填量約 4 000 t，吸附劑也全部由國外進口。利用模擬移動床技術(shù)可以實現(xiàn)石油化工分離的連續(xù)性，提高產(chǎn)品純度和收率，使原料、副產(chǎn)品得到充分利用，同時能耗也大幅度下降。2.模擬移動床色譜技術(shù)在糖醇分離中的應(yīng)用SMB 早期主要應(yīng)用在制糖工業(yè)上，在糖醇分離中果糖與葡萄糖的分離，可能是目前制糖工業(yè)分離中規(guī)模最大的，也是起步最早的。這是一個典型的二

9、組分分離，因此利用 SMB 的優(yōu)勢也非常明顯。利用 SMB 分離果葡糖漿的工藝已有成熟的工業(yè)化實例，該分離通常是選擇一種 Ca 型的陽離子交換樹脂作為固定相，利用去離子水作為洗脫劑，由于果糖和 Ca 離子形成一個復合體而被阻流在柱中，而葡萄糖和其他寡糖則被洗脫劑帶走。含果糖 42%的果葡糖漿利用模擬移動床色譜分離后，流出液果糖純度為 95%99%，回收率在 90%以上；殘液中葡萄糖的純度在 90%以上。利用 SMBC 技術(shù)進行糖的分離，不僅節(jié)約了樹脂、洗脫劑用量，提高了生產(chǎn)自動化程度，而且過程中的排污很少，實現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，有利于環(huán)保。當前國內(nèi)外已有年產(chǎn)萬噸果糖的成套商品化設(shè)備。模擬移動床色譜技

10、術(shù)還廣泛用于其他糖類的生產(chǎn)中，在其他單糖的分離中，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。3.其他行業(yè)的應(yīng)用氨基酸具有重要的生物、藥物和營養(yǎng)價值,工業(yè)生產(chǎn)中一般采用發(fā)酵法生產(chǎn)。由于氨基酸是一種熱敏性生化物質(zhì), 傳統(tǒng)的分離手段如蒸餾、吸附、萃取、結(jié)晶、沉降分離等在其分離中受到限制, 而色譜吸附分離過程無需熱再生, 能耗低, 分離效率高且適應(yīng)性強。已利用 SM B技術(shù)進行分離的產(chǎn)品有賴氨酸、苯丙氨酸與色氨酸等。 SMB 在制藥行業(yè)的應(yīng)用主要是用于分離手性藥物、生物藥物和天然藥物。 手性藥物種類繁多, 對其的吸附分離要比石化系統(tǒng)

11、中的異構(gòu)體分離和糖業(yè)中的不同糖類分離復雜得多。 國外已有采用串聯(lián)SMB 對發(fā)酵生產(chǎn)的胰島素進行分離提純工藝; 國內(nèi)也有用改進的 SMB 分離抗生素替考拉寧。 中藥和天然藥物作為藥物的重要來源, 已經(jīng)受到各國研究人員的重視。對于中藥和天然藥物中有效成分的分離提純, SM B將會起到重要的作用。國內(nèi)模擬移動床分離技術(shù)的發(fā)展前景近年國內(nèi)SMB的主要應(yīng)用領(lǐng)域仍將會是石化行業(yè)和糖醇行業(yè)。但精細化工行業(yè)和制藥行業(yè)的應(yīng)用前景不容忽視。對于精細化工行業(yè)和制藥行業(yè)上使用的小型化SMB, 要解決以下三個問題: 減小分離體積、尋找和選擇合適的吸附劑、提高產(chǎn)品濃度和純度。以上三個技術(shù)難題得以解決, 模擬移動床技術(shù)在藥物和手性化合物上的分離將會得到很好應(yīng)用。國內(nèi)SMB的研發(fā)工程師們有兩件事情要解決和完善：一是自行研究生產(chǎn)大型 SMB,