专利名称：分离方法
技术领域：
本发明涉及色谱分离领域，尤其是通过顺序式多谱图(multiprofile)模拟移动床(SMB)色谱法进行的对包含糖、糖醇、糖酸和/或甜菜碱的溶液的色谱分级分离。所述溶液通常为多组分的基于植物的提取物以及它们的水解产物和衍生物，例如基于糖用甜菜的溶液或包含木糖的植物水解产物。本发明的多谱图SMB方法旨在提高方法的分离能力，同时保持或甚至提高产物的收率和/或纯度和/或系统的水/进料比率。
背景技术：
US 6875349B2, US 6572775B2 和 US 6572776B2 公开了通过模拟移动床(SMB)色谱法将溶液分级分离成两种或更多种级分的方法和系统，其中该分离系统在同一环路中包括至少两个分离谱图。SMB方法可以是连续式的或顺序式的。所述专利中叙述了两个谱图是通过将至少两份进料溶液添加到系统中、随后从中回收产物级分而形成的(第5栏，第9至11行)。还叙述了水可以用作洗脱液，并且可以在进料溶液的添加之间或之后加水，以确保两个分离谱图没有重叠(第5栏，第11至14行)。还叙述了可以在一个分离步骤内存在两次或三次平行操作(第6栏，第7至8行)。此外，叙述了该两个或更多个谱图在整个树脂床(环路中的所有柱子)中移动(第I栏，第32至34行)，即，所述的至少两个分离谱图存在于由全部的柱形成的环路中。在上述美国专利的方法中用于分级分离的合适原料可以是(例如)糖蜜、酒糟、果糖/葡萄糖糖浆、由甜菜获得的汁和木材水解产物。叙述了高度优选的原料包括糖蜜、酒糟和亚硫酸盐蒸煮液。回收的产物包括(例如)葡萄糖、果糖、蔗糖、甜菜碱、肌醇、甘露糖醇、甘油、木糖醇、木糖、山梨糖醇和赤藓糖醇。上述美国专利的实例公开了各种原料(例如糖蜜、酒糟、葡萄糖/果糖混合物和木糖醇废糖汁(run-off))的二谱图分离。例如，US 6875349B2的实例I公开了在包括两根柱子(总共具有8个单独的部分填充床)的分离系统中进行的糖蜜的二谱图顺序式SMB分离。该分级分离以八个步骤的程序进行，程序长度为38分钟。用作原料的糖蜜按DS计包含57. 6%的蔗糖和7. 6%的甜菜碱。该分级分离能提供纯度为90. I重量％的蔗糖级分和纯度为43. I重量％的甜菜碱级分。US 6875349B2的实例4公开了在包括三根单独的柱子的分离系统中进行的糖蜜的三谱图顺序式SMB分离。该分级分离以八步骤的程序进行，程序长度为43分钟。用作原料的糖蜜按DS计包含60. 4%的蔗糖和5. I %的甜菜碱。该分级分离能提供纯度为92. 7重量％的蔗糖级分和纯度为36. 6重量％的甜菜碱级分。US 6875349B2的实例5公开了包含59%蔗糖的糖蜜的二谱图连续式SMB分离。获得纯度为87. 8%的蔗糖级分。此外，另一个美国专利US 5466294公开了用于从得自糖用甜菜的无醇原汁中分离蔗糖的单谱图色谱法。US 6093326公开了通过SMB色谱系统对糖蜜进行分级分离的方法，其中在两个或更多个环路中的多步骤分离程序期间回收蔗糖和甜菜碱。该文献的实例3公开了用包括三个循环阶段的步骤对甜菜糖蜜进行分级分离的方法。然而，现有技术已知的多谱图色谱分离方法具有(例如)分离能力、产物收率和产物纯度并不总是达到可接受水平的缺点。因此，对于分离能力有所提高、同时可基本保持或甚至提高产物收率和纯度的改进的多谱图色谱分离方法存在需求。此外，本领域没有提出或公开用于从具有高蔗糖含量(大于70% )的基于糖用甜菜的溶液中回收蔗糖和甜菜碱的多谱图顺序式SMB分离方法，尤其是用三谱图模式的SMB分离方法。与本发明相关的定义“产物级分”是通过色谱分离法取出的、包含产物组分的级分。可以存在一种或多种产物级分。
“残余级分”是主要包含除回收的产物组分之外的组分的级分。所述其他组分通常选自盐、有机酸和无机酸以及它们的盐，例如乙酸、木糖酸、氨基酸、呈色化合物、甘油、木质素磺酸盐、低聚糖等，这取决于原料以及除产物糖、糖醇和糖酸之外的糖、糖醇和糖酸。可以存在一种或多种残余级分。残余级分的组分(除产物组分之外)也称为“残余组分”。残余组分的性质取决于原料。“循环级分”是包含不完全分离的产物化合物并且纯度比产物级分低或比产物级分更稀的级分。循环级分被循环回到分离过程中以与进料合并。循环级分通常用作进料的稀释剂。也可以在将循环级分返回柱子之前进行一个或多个操作，例如，可以通过蒸发使循环级分浓缩。可以存在一种或多种循环级分。“程序”或“分离程序”是顺序式色谱分离方法中不断重复的步骤的预定程序，包括为促进将进料组分分离成产物级分和其他级分所需的所有步骤。“步骤”包括进料阶段、洗脱阶段、循环阶段和部分(PART)进料阶段中的一者或多者。在进料阶段中，将进料溶液引入一个预定的部分填充床或多个预定的部分填充床中。在进料阶段和/或一个或多个其他阶段中，可以取出一种或多种产物级分和一种或多种残余级分。在洗脱阶段中，将洗脱液送入预定的部分填充床中。洗脱液通常选自水、离子交换水和通过蒸发获得的冷凝物。在循环阶段中，基本上没有进料溶液或洗脱液被提供至部分填充床，并且没有产物被取出。在部分进料阶段中，将分离谱图的一部分作为洗脱液的替代物返回至分离过程。当将 WO 2010/097510A1(US 2010-0213130A1)和 W02010/097511A1 (US 2010-0212662A1)的方法应用于本发明的多谱图方法时，存在部分进料阶段。所列举的文献的全部内容均以引用的方式并入本文中。“ SMB”是指模拟移动床系统。在顺序式SMB系统中，不是所有流体料流(进料溶液和洗脱液或PART的供应、分离谱图的循环，以及产物、循环液或PART的取出)都连续流动。“进料”是在一个程序期间被引入到分离柱中的一定数量的进料溶液。
“亚谱图(subprofile) ”是一种组分的浓度谱图，也称为组分峰。“分离谱图”是指基于洗脱液和进料溶液的进料并流经树脂床、并通过完成/重复分离程序获得的由进料中存在的溶解物质(DS)所形成的干物质谱图。“分离谱图的一部分”(等于“部分”或“PART”)是指分离谱图的任何这样的区段，其包含液体和这个区段中的组分并用作洗脱液替代物。“部分进料阶段”是指将所述部分作为洗脱液替代物引入到分离系统中。“保留体积”(Rt)是为将组分或分离谱图的某个点洗脱经过树脂床所需的流动相的体积。组分的保留体积可以按树脂床体积的百分数表示。与本发明有关的是，保留体积特别指为将产物组分级分(例如木糖、果糖、甜菜碱或麦芽糖产物级分)的起点洗脱经过柱子所需的体积。“拖尾”是指正常高斯峰具有不对称因子> I的现象。拖尾最通常由填料上的对溶 质的保留力强于正常保留力的部位形成。与本发明有关的“空隙”或“空隙体积”是指为将电导峰(盐)的起点洗脱经过柱子所需的体积。“BV”是指柱子、部分填充床或分离系统的树脂床体积。“峰加宽”是指色谱峰(分离谱图)移动经过柱子时的分散。“步骤体积”(V)是指从分离程序中的某个预定步骤至同一或随后程序中的另一预定步骤使组分、其分离谱图或部分移动经过分离柱的流动相(包括进料、洗脱液和循环液)的体积。步骤体积通过将每一步骤中转移的流动相的体积(在进料、洗脱和/或循环阶段期间以及在任选的部分进料阶段期间的每一步骤中引入柱子中的体积)加在一起而逐步计算。“洗脱液引入位置”是指色谱系统中任何可引入洗脱液的位置。“DS”是指溶解的干物质含量。等于“溶解的固形物含量”。“组分纯度”是指按DS计的组分含量。“分离能力”是指产物的量(干物质的kg)/分离树脂的体积(m3)/小时(h)。在部分进料阶段中弓I入的循环液和部分不包括在内。“W/F比率”是指洗脱用水体积与进料体积的比率。
发明内容
本发明涉及通过多谱图顺序式模拟移动床(SMB)色谱系统从基于植物的进料溶液中分离和回收产物(如糖、糖醇、糖酸、有机酸和甜菜碱)的方法。本发明基于从多谱图顺序式SMB色谱分离系统的几个位置回收产物级分和/或循环级分。在实践中，从色谱分离系统的几根柱子收集产物级分和/或循环级分。本发明的目标通过以在独立权利要求中所陈述的内容为特征的方法来实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。出人意料地发现，所提供的本发明方法与现有技术已知的多谱图分离系统相比改善了分离能力、产物收率和产物纯度。
具体实施例方式本发明涉及从进料溶液中分离和回收至少一种产物的方法，所述进料溶液包含至少一种选自糖、糖醇、糖酸、有机酸和甜菜碱的产物化合物，本方法在顺序式模拟移动床(SMB)色谱系统中进行，该系统包括多根装有一个或多个部分填充床的柱子，其中这些柱子形成一个或多个环路，所述方法包括通过重复预定的分离程序在系统中产生三个相继的分离谱图，所述三个相继的分离谱图同时存在于该系统中，并且每个分离谱图包括至少一个产物亚谱图、残余物亚谱图和任选的其他亚谱图；通过重复该预定的分离程序使所述三个分离谱图向前移动通过该系统，以及从该系统的柱子回收至少一个富含一种产物化合物的产物级分，并且还从该系统的一根或多根其他柱子回收至少一个另外的级分，所述至少一个另外的级分是富含相同产物化合物的另外的产物级分和/或包含相同产物化合物的循环级分。在本发明的方法中，产物组分可选自糖、糖醇、糖酸、有机酸和甜菜碱。
糖可选自木糖、果糖、葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖、鼠李糖、岩藻糖、蔗糖、棉子糖、麦芽糖、左旋葡聚糖、核糖、异麦芽酮糖、塔格糖、海藻糖、海藻酮糖和阿洛酮糖。与本发明有关的是，糖还包括低聚化合物，例如低聚木糖、低聚麦芽糖、低聚果糖和聚右旋糖。糖醇可选自木糖醇、甘露糖醇、山梨糖醇、肌醇、麦芽糖醇、异麦芽酮糖醇、甘油和赤藓糖醇。糖酸可选自羟酸、羧酸，诸如醛糖酸，例如木糖酸、葡萄糖酸和衣康酸，以及糖醛酸，诸如葡糖醛酸和半乳糖醛酸。有机酸可选自例如氨基酸，诸如谷氨酸。与本发明有关的尤其优选的产物组分为蔗糖、甜菜碱和木糖。残余组分通常选自盐、有机酸及其盐，如硫酸和亚硫酸、氨基酸、呈色化合物、甘油、木质素磺酸盐、低聚糖等，这取决于原料以及除产物糖、糖醇、糖酸和有机酸之外的糖、糖醇、糖酸和有机酸。例如，在从基于植物的水解产物(诸如亚硫酸盐废液)中分离糖、糖醇和糖酸时，残余组分主要包括木质素磺酸盐、低聚糖、盐、有机酸(如，乙酸和木糖酸)和无机酸等。在从基于糖用甜菜的溶液(诸如糖蜜和酒糟)中分离甜菜碱时，残余组分主要包括盐、呈色化合物、有机酸及其盐、氨基酸、甘油以及单糖、二糖和三糖等。在分离甘蔗糖蜜时，残余组分主要包括盐、呈色化合物、单糖、二糖和三糖。包含一种或多种选自糖、糖醇、糖酸、有机酸和甜菜碱的产物组分的原料通常为多组分的基于植物的提取物和它们的水解产物或衍生物。可提及亚硫酸盐废液、淀粉水解产物和基于糖用甜菜的溶液，诸如低纯度原蜜、糖蜜、原汁、浓汁、釜馏物和及其发酵产物(诸如酒糟)作为合适原料的例子。本发明的一个实施例包括从基于植物的水解产物、基于植物的提取物及其衍生物中分离糖、糖醇和糖酸。基于植物的水解产物可由植物材料获得，所述植物材料包括来自各种木材品种(尤其是硬木，诸如桦树、白杨和山毛榉树、槭树、桉树)的木材、谷物的各部分(诸如秸杆(尤其是小麦秸杆)、外壳(尤其是玉米壳和大麦壳)、玉米芯和玉米纤维)、蔗渣、椰子壳、棉籽皮、杏仁壳等。基于植物的提取物可为(例如)上述植物的水、蒸汽、碱或醇提取物。基于植物的水解产物和提取物的衍生物可为不同的后处理产物，诸如其蒸发产物或薄膜法所得的级分。 在本发明的一个具体实施例中，用于分离糖、糖醇和糖酸(诸如木糖)的基于植物的水解产物为由制浆方法获得的废液。可用于本发明的典型废液为亚硫酸盐制浆废液，其优选地从酸式亚硫酸盐制浆过程中获得。可用的水解产物的一个例子为来自硫酸盐制浆过程的预水解产物。在本发明的一个实施例中，从木材水解产物(诸如亚硫酸盐制浆废液)中分离木糖。在另一个具体的实施例中，从木糖结晶化获得的木糖废糖汁中分离木糖。在本发明的又一个具体的实施例中，在木糖氢化和木糖醇结晶化之后，从木糖醇废糖汁中分离木糖醇。在再一个具体的实施例中，从发酵液中分离木糖醇或赤藓糖醇。本发明的还有一个实施例包括从基于糖用甜菜的溶液(诸如低纯度原蜜、糖蜜和酒糟)中分离出甜菜碱。在本发明中，所述低纯度原蜜是指按DS计包含71至85%蔗糖和2至10%甜菜碱的基于糖用甜菜的糖浆。此外，低纯度原蜜按DS计包含典型数量为13至27%的其他组分(例如盐、呈色化合物、有机酸、氨基酸等)。本发明中可用的原料的典型例子为包含约72%蔗糖、3至6%甜菜碱以及20至25%灰分(盐)和其他无机/有机组分的低纯度原蜜。本发明的另一个实施例包括从葡萄糖和果糖的混合物中分离出果糖，所述混合物诸如转化蔗糖的溶液、异构化葡萄糖的溶液和它们的混合物，以及从果糖结晶化获得的废糖汁。本发明的又一个实施例包括从淀粉水解产物(诸如麦芽糖浆)中分离出麦芽糖。本发明的再一个实施例包括在麦芽糖氢化之后从麦芽糖醇糖浆中分离出麦芽糖醇。在本发明的优选实施例中，进料溶液选自基于植物的水解产物和提取物、果糖/葡萄糖糖浆、转化糖混合物和淀粉水解产物。在本发明的一个特别优选的实施例中，基于植物的水解产物和提取物选自基于糖用甜菜的溶液和木材水解产物。基于糖用甜菜的溶液尤其选自低纯度原蜜、糖蜜、浓汁和原汁及其包含甜菜碱的级分。木材水解产物尤其选自亚硫酸盐制浆废液。本发明的色谱分离系统包括多根柱子，即指不止一根柱子。在本发明的一个典型实施例中，该系统包括三根或更多根装有一个或多个部分填充床的分离柱。在本发明的一个优选的实施例中，该系统包括至少三根柱子，例如3至12根柱子、优选地6至9根柱子。在本发明的一个典型实施例中，所述柱子具有相同的尺寸。所述柱子也可相对于彼此具有不同的尺寸。所述柱子也可被分成两个或更多个隔室。分离系统的部分填充床中的色谱分离树脂可选自那些常用于将上述产物组分从多组分的基于植物的提取物和水解产物及其衍生物中分离出来的树脂。特别有用的树脂为强酸性阳离子交换树脂(SAC)和弱酸性阳离子交换树脂(WAC)，但即便是弱碱性阴离子交换树脂(WBA)和强碱性阴离子交换树脂(SBA)也可使用。阳离子交换树脂(SAC和WAC)可为一价、二价或三价形式，诸如为 H+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Sr2+、Ba2+ 或 Al3+ 形式。所述树脂可为交联度在I至20%范围内的苯乙烯系或丙烯酸类树脂，例如交联度为4至10%的DVB (二乙烯基苯)、交联度优选地为4. 5至7. 5%的DVB。树脂的交联度通常影响组分的保留体积。树脂的典型平均粒度为200至450 μ m。该系统的柱子/部分填充床形成一个或多个环路。在本发明的一个优选的实施例中，该系统在分离程序的一个或多个步骤中包括由该系统的所有柱子形成的环路，即存在从该系统的最后一根柱子到第一根柱子的环路。环路可为封闭或“开放”的。在封闭的环路中，液体循环流动并且环路中基本上没有进料或出料。在开放的环路中，可将洗脱液或进料或PART引入到环路中，并且可从环路中取出产物级分或残余级分或PART或循环级分。在进料、洗脱和部分进料阶段，流过填充材料床的流动可在相继的环路之间进行，其中所述流动将物质从一个环路运送至另一个环路。在循环阶段，该环路闭合并且与其他环路分隔开。本发明的顺序式SMB方法包括程序、步骤和阶段。程序、步骤和阶段定义如上。在一个分离步骤中可存在I至4个平行的相同或不同的阶段(选自进料、洗脱和/或循环以及任选的部分进料)。·
使用上述程序、步骤和阶段进行分级分离，从而在分离柱中由存在于进料中的溶解物质形成分离谱图(即，干物质谱图)。分离谱图包括至少一个产物亚谱图、残余物亚谱图和任选的其他亚谱图。在本发明中，通过重复预定的分离程序而产生三个分离谱图、并且通过重复所述程序而在SMB系统中向前移动所述分离谱图，从而实现分级分离。必须将所述程序重复至少三次，以将谱图洗脱经过整个SMB系统。在本发明的一个优选的实施例中，所述三个分离谱图存在于由该系统的所有柱子形成的环路中。在本发明的又一个实施例中，本方法可包括这样的步骤柱子形成三个单独的环路，并且分离谱图在每个环路中向前移动，即每三个环路中存在一个分离谱图。例如，六柱系统中的柱I和2、柱3和4以及柱5和6可形成三个单独的环路，并且分离谱图优选地在每个环路中同时向前移动。任选的三个环路的布置方式便于将颜色有利地移除到残余级分中。该系统的第一根柱子通常为该系统的进料柱。选择进料体积，以使得柱子能够以所需的收率将进料的产物化合物与其他组分分离开来，以提供具有所需纯度的产物级分。在本发明的一个实施例中，进料体积可为总床体积的 4. 5-10%。进料浓度(干物质含量)通常为从40至65g干物质/IOOg进料溶液，并且优选地从45至55g干物质/IOOg进料溶液。在柱出口处各相继的谱图之间的水间隔被最小化，并且与US 6，875，349B2相反，相继的分离谱图之间甚至可能存在重叠。特别地，这关系到涉及从基于糖用甜菜的溶液中分离蔗糖和甜菜碱的本发明实施例。在相继的分离谱图的甜菜碱亚谱图和残余物亚谱图之间可存在重叠。本发明的三谱图模式的又一个优点是提供短的程序时间。在本发明的三谱图模式中，程序时间比二谱图模式(例如47分钟)要短(例如30分钟)。相应地，单谱图模式将花费47分钟的约两倍，即约94分钟。最后，本发明的方法包括从系统的柱子回收至少一个富含一种产物化合物的产物级分，并且还从系统的一根或多根其他柱子回收至少一个另外的级分，从而所述至少一个另外的级分是富含相同产物化合物的另外的产物级分和/或包含相同产物化合物的循环级分。由本方法回收和取出产物级分，并且优选地进行合并。将循环级分循环返回至分离过程中以对进料进行稀释。各循环级分的合并体积通常在进料体积的5%至50%范围内。所述至少一个富含一种产物化合物的产物级分优选地从系统的最后一根柱子回收。在本发明的方法中，最后一根柱子是指位于进料柱下游的最后一根柱子。进料柱通常是系统的第一根柱子。选自富含相同产物化合物的另外的产物级分和包含相同产物化合物的循环级分的所述至少一个另外的级分从系统的一根或多根其他柱子回收，所述一根或多根其他柱子优选地选自系统中相对于从中回收所述至少一个产物级分的柱子而言的任何上游柱子。·
在本发明的一个实施例中，所述至少一个富含一种产物化合物的产物级分和选自富含相同产物化合物的另外的产物级分和包含相同产物化合物的循环级分的所述至少一个另外的级分，在不止一个分离程序期间从同一个分离谱图中回收。在本发明的另一个实施例中，所述至少一个富含一种产物化合物的产物级分和选自富含相同产物化合物的另外的产物级分和包含相同产物化合物的循环级分的所述至少一个另外的级分，在同一个分离程序期间从不止一个分离谱图中回收。出人意料地发现，根据本发明从几根柱子(分离系统的几个位置)收集产物级分和/或循环级分使得能够将三个分离谱图结合到SMB系统中。在本发明的又一个实施例中，本方法还包括回收其他级分，诸如残余级分。这个操作模式有利于将三个谱图结合到SMB系统中，并且还有利于以高收率和纯度回收产物级分。从多根柱子中取出基本不包含产物的残余级分。换句话讲，一旦从柱中分离所需的产物，就从中取出残余级分。因此，在分级分离进行期间，残余物峰/亚谱图(盐峰/亚谱图)的尺寸将降低，这导致产物峰/亚谱图的前沿(fronting)进一步减小。可将这个操作模式应用到(例如)从基于糖用甜菜的溶液中回收蔗糖和甜菜碱。在本发明的再一个实施例中，本方法还包括回收一个或多个富含至少一种另外的产物化合物的另外的级分。所述一种产物化合物可为(例如)蔗糖，并且所述另外的产物化合物可为(例如)甜菜碱。在本发明的再一个实施例中，本方法包括从系统的柱子回收至少一个蔗糖级分和从系统的一根或多根其他柱子回收至少一个另外的蔗糖级分，并且还从系统的任何柱子回收至少一个甜菜碱级分。在本发明的这个实施例中，本方法可还包括从系统的一根或多根其他柱子回收至少一个包含蔗糖的循环级分。在本发明的还有一个实施例中，本方法包括从系统的柱子回收至少一个木糖级分，并且还从系统的一根或多根其他柱子回收至少一个另外的木糖级分和/或至少一个包含木糖的循环级分。在本发明的一个具体实施例中，本发明涉及在顺序式模拟移动床(SMB)色谱系统中从基于糖用甜菜的溶液回收蔗糖和甜菜碱的方法，该系统包括多根装有一个或多个部分填充床的柱子，其中这些柱子形成一个或多个环路，所述方法包括通过重复预定的分离程序在系统中产生三个相继的分离谱图，所述三个相继的分离谱图同时存在于该系统中，并且每个分离谱图包括蔗糖亚谱图、甜菜碱亚谱图、残余物亚谱图和任选的其他亚谱图，通过重复该预定的分离程序使所述三个分离谱图向前移动通过该系统，以及从该系统的柱子回收至少一个蔗糖级分和从该系统的一根或多根其他柱子回收至少一个另外的蔗糖级分，并且还从该系统的任何柱子回收一个或多个甜菜碱级分。在本发明的这个实施例中用作进料的基于糖用甜菜的溶液优选地选自低纯度原蜜、糖蜜、浓汁和原汁。 还可以回收同一级分中的甜菜碱和盐，尤其是当相继的分离谱图的甜菜碱亚谱图和残余物亚谱图之间存在重叠时。已发现相继的分离谱图的甜菜碱亚谱图和残余物亚谱图的重叠也有利于将三个分离谱图结合到该系统中。此外，令人意外地发现，蔗糖峰/亚谱图的前沿减小，原因在于具有高蔗糖纯度(>70%)的原料已具有相对低的盐含量。因此，蔗糖峰/亚谱图以及整个分离谱图在分级分离期间有利地保持狭窄，这进一步有助于将三个分离谱图结合到SMB系统中。在本发明的这个实施例中，可实现分级分离，使得缓慢移动的甜菜碱和快速移动的盐基本上被回收在单独的级分中。还可以回收同一级分中的甜菜碱和盐，由此甜菜碱亚谱图和残余物亚谱图之间存在重叠。然后可将包含甜菜碱和残余组分的级分分成几个级分，例如分成富含甜菜碱的级分和富含盐和其他残余组分的级分。然后可单独从甜菜碱级分中回收甜菜碱。 在本发明的又一个实施例中，例如通过进一步的色谱分级分离、然后结晶，而从残余级分或从单独的甜菜碱级分中回收甜菜碱。在本发明的涉及从基于糖用甜菜的溶液中分离甜菜碱和蔗糖的实施例中，从单独的柱子回收得到的蔗糖级分的纯度(蔗糖含量)按干物质(DS)计超过90%、优选地超过92%并且更优选地超过94%。蔗糖级分的甜菜碱含量按DS计低于O. 5%、优选地低于O. 1%。在本发明的这个实施例中，按合并的回收蔗糖级分的干物质量计，回收的所述另外的蔗糖级分的干物质量超过10%、优选地超过30%并且更优选地超过50%。在本发明的这个实施例中，按进料溶液的蔗糖计，所述方法使合并的蔗糖级分的蔗糖收率超过90%、优选地超过92%并且更优选地超过94%。在本发明的这个实施例中，获得的甜菜碱级分的纯度(甜菜碱含量)按DS计超过35 %、优选地超过45 %并且更优选地超过55 %。在本发明的典型实施例中，甜菜碱级分中的甜菜碱含量按DS计在35 %至75 %、优选地45 %至75 %的范围内。残余级分的甜菜碱含量按DS计通常在O. I至3.0%的范围内。在本发明的这个实施例中，一个或多个甜菜碱级分中甜菜碱的收率超过85%、优选地超过92 %并且更优选地超过94 %。在本发明的涉及从基于糖用甜菜的溶液中分离甜菜碱和蔗糖的这个实施例中，本发明的方法提供高的分离能力，例如超过55kg干物质/h/m3树脂的分离能力。最多150kgDS/h/m3树脂的分离能力可通过使用较短的床长度和珠粒尺寸小于350 μ m的树脂来达到。此外，本方法提供洗脱用水与进料干物质的有利比率，例如约5至IOm3水/吨干物质。当进料具有约50%的干物质含量时，这对应于3至6的W/F比率(洗脱用水的体积与进料的体积的比率)。在本发明的另一个具体的实施例中，本发明涉及在顺序式模拟移动床色谱系统中从基于植物的水解产物回收木糖的方法，该系统包括装有一个或多个部分填充床的多根柱子，其中这些柱子形成一个或多个环路，所述方法包括通过重复预定的分离程序在系统中产生三个相继的分离谱图，借此所述三个相继的分离谱图同时存在于所述系统中，并且每个分离谱图包括木糖亚谱图、残余物亚谱图和任选的其他亚谱图，通过重复预定的分离程序使所述三个分离谱图向前移动通过系统，以及从系统的柱子回收至少一种木糖级分，并且还从系统的一根或多根其他柱子回收富含木糖的至少一种另外的木糖级分和/或包含木糖的至少一种循环级分。
用作本发明的该实施例中的进料的基于植物的水解产物可为(例如)半纤维素水解产物，优选地为亚硫酸盐废液。在本发明的这个实施例中，获得的木糖级分的纯度(木糖含量)按DS计超过45 %、优选地超过50 %并且更优选地超过55 %。在本发明的这个实施例中，本方法提供按进料溶液的木糖计超过85 %、优选地超过90 %并且更优选地超过93 %的木糖收率。在本发明的涉及从包含木糖的植物水解产物中分离木糖的实施例中，本发明方法还提供高分离能力，例如最多80kg干物质/h/m3树脂的分离能力。此外，本方法提供洗脱用水与进料干物质的有利比率，例如约3. 3m3水/吨干物质。当进料具有约50%的干物质含量时，这对应于2. O的W/F比率(洗脱用水的体积与进料的体积的比率)。因此，本发明的三谱图操作模式提供增大的分离能力。另外的优点(诸如分离过程中洗脱用水的量显著减少(从10%至最多50% ))可通过将本发明的多谱图方法应用于WO 2010/097510A1和W02010/097511A1(将它们以引用的方式并入本文中)的方法而实现。这些专利申请中公开的方法通常公开了将分离谱图的各部分作为洗脱液替代物送回到分离过程中。洗脱用水量的减少导致在所分离级分的蒸发过程中的能量要求降低。因此，在本发明的又一个实施例中，本方法还包括将所述三个分离谱图的一个或多个部分送回到系统的一个或多个洗脱液引入位置以替代一些洗脱液，其中所述“部分”包含选自产物化合物和残余组分的组分。所述部分的体积、引入位置和引入步骤根据以下方面进行确定所述部分的组分的保留体积，所述部分的组分所通过的树脂床的体积，以及将所述部分的组分在所述同一个或随后的分离程序期间从组分的引入位置移至计算的目标取出位置并同时基本上保持产物级分的纯度和产物组分的收率的步骤的体积。必要的是将所述部分的体积、引入位置和引入步骤确定为合适的，以使得所述部分的组分在取出时要么到达进料的类似快速移动组分的区域、要么保留下来与进料的较快速移动组分一起被洗脱，或者它们使得分离谱图的快速移动组分能够接触到所述部分的缓慢移动组分。各组分对每个分离系统的保留体积是针对使用中的树脂床通过实验进行确定。组分的保留体积取决于(例如)树脂的二乙烯基苯(DVB)含量。
在使用DVB含量为6. 5%的镁形式的强酸性阳离子交换树脂从含有木糖的植物水解产物分离木糖时，木糖的保留体积为树脂床体积的大约60% (介于57和63%之间)。在使用同样的树脂进行相同亚硫酸盐废液的分离时，电导峰(盐和大分子，诸如木质素磺酸盐)的起点的保留体积为树脂床体积的大约28至34%，这等于树脂床的空隙体积。另外，在计算洗脱体积(其中不同的组分从分离柱中洗脱出来)时必须将峰加宽现象考虑在内。在使用DVB含量为6. 5%的单价形式的强酸性阳离子交换树脂从基于糖用甜菜的溶液中分离甜菜碱和蔗糖时，甜菜碱的保留体积为树脂床体积的大约70% (介于67和73%之间)，蔗糖的保留体积为树脂床体积的大约55%和60%之间。在使用同样的树脂进行相同分离时，电导峰(盐和大分子)起始处的保留体积为树脂床体积的大约28%和34%之间，这等于树脂床的空隙体积。适于替代洗脱液的分离谱图合适部分的一个例子包括甜菜碱峰和盐峰的重叠部分。选择引入点，使得在分离过程中盐作为快速移动组分经过蔗糖，而甜菜碱和盐可在相邻的级分中或同一级分中回收。此外，所述残余级分的部分可作为洗脱液的替代物返回到分离过程中。以下非限制性实例2、3和4中示出用于对不同原料进行分离的同一环路中三个分离谱图的生成和向前移动。实例2公开了低纯度原蜜经三谱图SMB被分离为蔗糖级分、甜菜碱级分、残余级分(盐级分)和循环级分。实例3公开了低纯度原蜜经三谱图SMB被分离为蔗糖级分、甜菜碱级分、残余级分(盐级分)和循环级分。实例4公开了亚硫酸镁(2+)废液经三谱图SMB被分离为木糖级分、循环级分和残余级分。实例IA为参考实例，公开了通过二谱图二环路顺序式SMB方法对低纯度原蜜进行分级分离。实例IB和IC为参考实例，公开了对糖蜜进行三谱图SMB分离。实例IB和IC不同于本发明的方法之处在于仅从一根柱子收集产物级分。在比较参考实例IA和本发明的涉及具有相同蔗糖和甜菜碱收率和大约相同的水消耗量的低纯度原蜜分级分离的实例2时，可发现多个优点。根据本发明的三谱图方法，甜菜碱可富集到甜菜碱级分中，甜菜碱含量为51%且收率极高(约95% )。可采用色谱分离进一步从甜菜碱级分中富集甜菜碱。本方法还提供具有极高蔗糖含量(94至95% )以及具有极高收率(至少93% )的鹿糖级分。生产能力(按kg干物质/h/m3树脂计算)与实例I的二谱图方法的能力相比，可增加至少40% (54kg对38kg干物质/h/m3树脂)。此外，可看到参考实例IB和IC提供极低的能力和极差的甜菜碱纯度和收率，SP，甜菜碱纯度按DS计仅为约23至37%，而甜菜碱收率为约32至43%。实例IB和IC也提供约79至82%的极低蔗糖收率。实例 IA低纯度原密的二环路二谱图SMB分离-参考实例工艺设备包括6根柱子、所需管道、进料泵、循环泵、洗脱用水泵、热交换器、进料罐和洗脱液罐以及产物罐、输出液体的流量控制装置以及各种工艺物料流的入口阀和产物阀。所有柱子的高度为4. 0m，所有柱子的直径为5. 15m，并且第一根柱子由具有相同尺寸的两个隔室组成。柱子填充有Na+形式的强酸性凝胶型阳离子交换树脂(Dowex monosphere99K/350)。树脂的平均珠粒尺寸为O. 35mm。在分离前，将低纯度原蜜用循环级分(从分离过程中获得)稀释并用碳酸钠使其碳酸化以降低溶液的钙含量。最后，使用硅藻土作为助滤剂对低纯度原蜜进行预敷过滤。进料的组成如下所示，百分比按干物质重量计。表 ElA-I
进料的组成
进料pHθΓδ
进料干物质，g/100g50. O
蔗糖，按DS计的％72Γθ
甜菜碱，按DS计的％4 5
其他组分，按DS计的％ 23 5通过如下所示的13个步骤的SMB程序进行分级分离。进料和洗脱液在80°C的温度下使用，并且将蒸发冷凝物用作洗脱液。步骤I :将5. Om3进料溶液以185m3/h的流速泵入柱1，并且从柱6收集循环级分。步骤2 :将2. 6m3进料溶液以140m3/h的流速泵入柱1，并且从同一根柱子收集残余级分。同时，将3. 2m3洗脱液以170m3/h的流速泵入柱2，并且从柱6收集循环级分。步骤3 :将2. Om3进料溶液以110m3/h的流速泵入柱1，并且从同一根柱子收集残余级分。同时，将2. Om3洗脱液以110m3/h的流速泵入柱2，并且从柱4收集甜菜碱级分。还同时将3. 5m3洗脱液以198m3/h的流速泵入柱5，并且从柱6收集蔗糖级分。步骤4 :将12. 6m3进料溶液以121m3/h的流速泵入柱1，并且从同一根柱子收集残余级分。同时，将9. 7m3洗脱液以90mVh的流速泵入柱2，并且从柱4收集残余级分。还同时将23. Om3洗脱液以220m3/h的流速泵入柱5，并且从柱6收集蔗糖级分。步骤5 :将7. 2m3进料溶液以190m3/h的流速泵入柱1，并且从柱6收集蔗糖级分。步骤6 :使17. 6m3以190m3/h的流速在由所有柱子形成的环路中循环。在环路中存在两个分离谱图。步骤7 :将4. 9m3洗脱液以190m3/h的流速泵入柱3，并且从柱2收集残余级分。步骤8 :将8. 5m3洗脱液以137m3/h的流速泵入柱1，并且从柱2收集残余级分。同时，将10. 9m3洗脱液以180mVh的流速泵入柱3，并且从柱5收集残余级分。还同时将14. Om3洗脱液以224m3/h的流速泵入柱6，并且从同一根柱子收集甜菜碱级分。步骤9 :将5. Om3洗脱液以160m3/h的流速泵入柱1，并且从柱2收集残余级分。同时，将6. Om3洗脱液以190m3/h的流速泵入柱3，并且从柱6收集甜菜碱级分。
步骤10 :将16. Im3洗脱液以190m3/h的流速泵入柱1，并且从柱6收集甜菜碱级分。步骤11 :使15. Om3以190m3/h的流速在由柱I的第二隔室、柱2和柱3形成的环路(柱I的第一隔室排除在环路之外)中循环。同时，使7.0!113以901113/11的流速在由柱4、5和6形成的环路中循环。
步骤12 :将11. Om3洗脱液以150m3/h的流速泵入柱1，并且从柱3收集残余级分。同时,将14. Im3洗脱液以190m3/h的流速泵入柱4，并且从柱6收集残余级分。步骤13:使20. Im3以200m3/h的流速在由柱1、2和3形成的环路中循环。同时，使19. 3m3以195m3/h的流速在由柱4、5和6形成的环路中循环。在系统平衡后，收集残余级分、循环级分、蔗糖级分和甜菜碱级分。结果在下表中示出，包括对合并的级分的HPLC分析在内。表 E1A-权利要求
1.一种从进料溶液中分离和回收至少一种产物的方法，所述进料溶液包含至少一种选自糖、糖醇、糖酸、有机酸和甜菜碱的产物化合物，所述方法在顺序式模拟移动床(SMB)色谱系统中进行，所述系统包括多根装有一个或多个部分填充床的柱子，其中所述柱子形成一个或多个环路，所述方法包括 通过重复预定的分离程序在所述系统中产生三个相继的分离谱图，所述三个相继的分离谱图同时存在于所述系统中，并且每个分离谱图包括至少一个产物亚谱图、残余物亚谱图和任选的其他亚谱图； 通过重复所述预定的分离程序使所述三个分离谱图向前移动通过所述系统，以及 从所述系统的柱子回收至少一个富含一种产物化合物的产物级分，并且还从所述系统的一根或多根其他柱子回收至少一个另外的级分，所述至少一个另外的级分是富含相同产物化合物的另外的产物级分和/或包含相同产物化合物的循环级分。
2.根据权利要求I所述的方法，其中在不止一个分离程序期间从同一个分离谱图中回收所述至少一个富含一种产物化合物的产物级分和所述至少一个另外的级分。
3.根据权利要求I所述的方法，其中在同一个分离程序期间从不止一个分离谱图中回收所述至少一个富含一种产物化合物的产物级分和所述至少一个另外的级分。
4.根据权利要求I所述的方法，其中从所述系统的最后一根柱子回收所述至少一个富含一种产物化合物的产物级分。
5.根据权利要求I所述的方法，其中所述一根或多根其他柱子选自所述系统中相对于从中回收所述至少一个产物级分的柱子而言的任何上游柱子。
6.根据权利要求I所述的方法，其中所述多根柱子包括3至12根柱子、优选地6至9根柱子。
7.根据权利要求I所述的方法，其中所述三个分离谱图存在于由所述系统的所有柱子形成的环路中。
8.根据权利要求I所述的方法，其中所述多根柱子形成三个单独的环路，并且分离谱图在每个环路中同时向前移动。
9.根据权利要求I所述的方法，其中所述方法还包括回收其他级分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述其他级分为残余级分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述残余级分从多根柱子回收。
12.根据权利要求I所述的方法，其中所述方法还包括回收一个或多个富含至少一种另外的产物化合物的另外的级分。
13.根据权利要求I和12所述的方法，其中所述一种产物化合物为选自蔗糖的糖，并且所述另外的产物化合物为甜菜碱。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述方法包括从所述系统的柱子回收至少一个蔗糖级分和从所述系统的一根或多根其他柱子回收至少一个另外的蔗糖级分，并且还从所述系统的任何柱子回收至少一个甜菜碱级分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法还包括从所述系统的一根或多根其他柱子回收至少一个包含蔗糖的循环级分。
16.根据权利要求I所述的方法，其中所述糖为木糖。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述方法包括从所述系统的柱子回收至少一个木糖级分，并且还从所述系统的一根或多根其他柱子回收至少一个另外的木糖级分和/或至少一个包含木糖的循环级分。
18.根据权利要求I所述的方法，其中所述进料溶液选自基于植物的水解产物和提取物、果糖/葡萄糖糖浆、转化糖混合物和淀粉水解产物。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述基于植物的水解产物和提取物选自基于糖用甜菜的溶液和木材水解产物。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述源自糖用甜菜的溶液选自低纯度原蜜和糖 處虫ο
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述木材水解产物选自亚硫酸盐制浆废液。
22.根据权利要求I所述的方法，所述方法用于在顺序式模拟移动床(SMB)色谱系统中从基于糖用甜菜的溶液回收蔗糖和甜菜碱，所述系统包括多根装有一个或多个部分填充床的柱子，其中所述柱子形成一个或多个环路，所述方法包括 通过重复预定的分离程序在所述系统中产生三个相继的分离谱图，所述三个相继的分离谱图同时存在于所述系统中，并且每个分离谱图包括蔗糖亚谱图、甜菜碱亚谱图、残余物亚谱图和任选的其他亚谱图， 通过重复所述预定的分离程序使所述三个分离谱图向前移动通过所述系统，以及 从所述系统的柱子回收至少一个蔗糖级分和从所述系统的一根或多根其他柱子回收至少一个另外的蔗糖级分，并且还从所述系统的任何柱子回收一个或多个甜菜碱级分。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述基于糖用甜菜的溶液选自低纯度原蜜、糖蜜、浓汁和原汁。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述蔗糖级分的蔗糖含量按干物质(DS)计超过90 %、优选地超过92 %并且更优选地超过94 %。
25.根据权利要求22所述的方法，其中按合并的所述回收蔗糖级分的干物质量计，所述回收的另外的蔗糖级分的干物质量超过10%、优选地超过30%并且更优选地超过50%。
26.根据权利要求22所述的方法，其中按所述进料溶液的蔗糖计，所述方法使合并的蔗糖级分的蔗糖收率超过90%、优选地超过92%并且更优选地超过94%。
27.根据权利要求22所述的方法，其中所述甜菜碱级分的甜菜碱含量按DS计超过35 %、优选地超过45 %并且更优选地超过55 %。
28.根据权利要求22所述的方法，其中所述一个或多个甜菜碱级分的甜菜碱收率超过85 %、优选地超过92 %并且更优选地超过94 %。
29.根据权利要求I所述的方法，所述方法用于在顺序式模拟移动床色谱系统中从基于植物的水解产物回收木糖，所述系统包括多根装有一个或多个部分填充床的柱子，其中所述柱子形成一个或多个环路，所述方法包括 通过重复预定的分离程序在所述系统中产生三个相继的分离谱图，所述三个相继的分离谱图同时存在于所述系统中，并且每个分离谱图包括木糖亚谱图、残余物亚谱图和任选的其他亚谱图，通过重复所述预定的分离程序使所述三个分离谱图向前移动通过所述系统，以及 从所述系统的柱子回收至少一个木糖级分，并且还从所述系统的一根或多根其他柱子回收至少一个另外的木糖级分和/或至少一个包含木糖的循环级分。
30.根据权利要求23所述的方法，其中所述基于植物的水解产物为半纤维素水解产物，优选地为亚硫酸盐制浆废液。
31.根据权利要求29所述的方法，其中一个或多个所述木糖级分的木糖含量按DS计超过45 %、优选地超过50 %并且更优选地超过55 %。
32.根据权利要求29所述的方法，其中按所述进料溶液的木糖计所述方法提供超过85%、优选地超过90%并且更优选地超过93%的木糖收率。
33.根据权利要求I所述的方法，其中所述方法还包括将所述三个分离谱图的一个或多个部分送回到所述系统的一个或多个洗脱液引入位置以替代一些所述洗脱液，其中所述部分包括选自产物化合物和残余组分的组分。
全文摘要
本发明涉及从多组分进料溶液中分离和回收诸如糖和甜菜碱的产物的三谱图顺序式SMB色谱方法。在本发明的方法中，从色谱分离系统的几个位置收集产物级分和任选的循环级分。本发明的方法可应用于例如从基于糖用甜菜的溶液分离蔗糖和甜菜碱以及从基于植物的水解产物分离糖如木糖。
文档编号C13B35/06GK102946961SQ201180016919
公开日2013年2月27日 申请日期2011年3月29日 优先权日2010年3月30日
发明者J·艾拉克西南, H·帕纳南, J·莱万多夫斯基, K·莱霍 申请人:杜邦营养生物科学有限公司