专利名称：用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法
技术领域：
本发明涉及一种模拟移动床色谱分离方法，具体涉及一种从含三个组分的混合物 中分离出中等保留组分即目标组分的模拟移动床色谱分离方法，即用模拟移动床色谱分离 三组分混合物的方法。
背景技术：
模拟移动床(SMB)是一种连续的色谱分离技术。它将多根色谱柱首尾相接，沿液 相流动方向周期性切换物料进出口位置，实现液固两相之间的“模拟”逆流移动，以增加液 固两相间的传质推动力，从根本上提高了色谱分离效率。SMB最初主要应用于石化领域的 C8分离和食品工业的糖类分离。因SMB最适于分离双组分，故在上世纪90年代被成功地引 入到手性药物分离领域，获得广泛关注，SMB在双组分分离方面的原理与工艺优化等已被研 究得十分深入和透彻。但在有些场合，原料中除目标组分外，还含两个或以上其他组分，按照各个组分在 模拟移动床的色谱柱上的出峰顺序，可将先于目标组分出峰的杂质统称为前杂，而晚于目 标组分出峰的杂质则统称为后杂。上述的前杂，目标组分和后杂也可依次称为弱保留组分、 中等保留组分和强保留组分，其中的组分一词是指一个纯物质，或者出峰依次相连的一组 纯物质的统称。这种情况在天然产物分离纯化领域尤为常见，此时常规SMB分离会遇到一 定困难。例如林炳昌教授研究组在用SMB纯化槲皮素时，就遇到这一问题，为此他们先后要 用到两次SMB分离先用SMB分离除去前杂，得到槲皮素和后杂的混合物，然后再用SMB将 槲皮素与后杂分离，得到中等保留的目标组分一一槲皮素[张丽华，高丽娟，林炳昌.模拟 移动床色谱提纯槲皮素，鞍山钢铁学院学报，2002，25(2) :108-111]。这种措施应用起来不 是很方便，两次操作不能在一台设备上同时进行，必须等第一次的分离任务完成后方可进 行第二次SMB分离，一方面增加了溶剂和设备的消耗，另一方面则增加了生产成本、步骤繁 琐，有必要采取一些更为合理的方案以解决上述问题。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种一次性分离出中等保留组分，减少溶 剂消耗、降低设备损耗，且分离步骤简单的用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的一种用模拟移动床色 谱分离三组分混合物的方法，该方法的具体步骤包括(1)进料先配制溶液1和溶液2，溶液2中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含 量高于溶液1中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量(构成溶液1和溶液2的成分或 组分相同，但各成分或组分在溶液1或者溶液2中的体积配比不同)，再将含三个组分(前 杂、目标组分和后杂，即弱保留组分、中等保留组分和强保留组分)的原料溶于溶液1配制 成原料液；将原料液从进料口、溶液2从洗脱液入口分别流入模拟移动床，II区内部液相的 洗脱能力因此而强于III区内部液相的洗脱能力，使得目标组分在II区跟随液相往III区移动，而在III区则跟随柱子切换往II区逆向移动，目标组分由此而被截留在II区和III 区内部并逐步积累，与此同时，II区和III区内部的前杂则跟随液相朝萃余液出口移动并 随萃余液流出，而III区和II区内部的后杂跟随柱子切换朝萃取液出口移动并随萃取液流 出；(2)纯化将原料液换成溶液1从进料口流入模拟移动床，将溶液2从洗脱液入口 流入模拟移动床，与此同时，分别从萃余液出口收集前杂、从萃取液出口收集后杂，从而将 截留在II区和III区内部的目标组分进一步纯化；(3)回收将截留在模拟移动床内部的目标组分冲洗出模拟移动床进行回收。上述步骤(1) (3)步骤完成后，重新开始第二批次三组分混合物的分离，即进 料_纯化-回收-进料_纯化_回收，如此轮回操作。上述步骤(1)中的原料液从进料口、溶液2从洗脱液入口为同时流入模拟移动床 色谱系统。上述分离方法的要点在于步骤(1)和步骤(2)中，目标组分在II区跟随液相往前 移动，而在III区则跟随柱子切换逆向移动，这要求目标组分在II区内部的迁移速率必须 大于其在III内部的迁移速率。由于目标组分的迁移速率同时取决于液相洗脱能力与液相 流速，而在步骤(1)和(2)中，II区液相流速总是低于III区液相流速，故必须使II区液 相的洗脱能力强于III区液相的洗脱能力才能实现上述要求----目标组分在II区内部的 迁移速率大于其在III区内部的迁移速率。本发明正是基于此，使溶液2中具有强洗脱能 力的溶剂的含量高于溶液1中具有强洗脱能力的溶剂的含量。例如对于反相模拟移动床色 谱，如果使用有机溶剂与水的混合液作为流动相，则可使溶液2中的有机溶剂含量高于溶 液1中有机溶剂的含量，这样，II区液相洗脱能力将比III区液相洗脱能力强。而在常规模 拟移动床的常规分离方法中，因II区和III区内部液相的洗脱能力相同，故目标组分在II 区的迁移速率必定小于其在III区的迁移速率，这无法将目标组分截留在II区和III区内 部。本发明上述分离方法所采用的模拟移动床设备包括I区、II区和III区，所述I至 III区的每一个区都由1根以上色谱柱串联而成，其中，I区位于洗脱液入口与萃取液出口 之间，II区位于萃取液出口与进料口之间，III区位于进料口与萃余液出口之间；每隔一定 时间，洗脱液入口和进料口均沿液体流动方向切换至下一根柱子入口，而萃余液出口和萃 取液出口沿液体流动方向切换至下一根柱子出口。根据上述分析，只要能够使II区液相洗脱能力比III区液相洗脱能力强，就能将 目标组分截留在II区和III区内部，从而去除前杂和后杂。因此，本发明还可以将上述模 拟移动床的I区与II区断开，其他结构不变，同样可以采用上述分离方法。此时，将溶液2 从II区入口直接流入模拟移动床，使II区内部液相的洗脱能力强于III区内部液相的洗 脱能力；用另外一个溶液3从洗脱液入口流入模拟移动床，并将I区流出液则全部收集为萃 取液；其他操作同上述I区与II区未断开的模拟移动床色谱分离方法，也可实现一次分离 三组分混合物的目的。上述溶液3的组成并无严格要求(溶液3为溶液2也可以为其他溶 液)，只要满足能够将I区内部的后杂冲洗完全即可。作为本发明分离方法的技术方案范围内的改进，在分离过程中，将模拟移动床的 萃余液出口和洗脱液入口之间再设置一个IV区，即常规的四区模拟移动床色谱，同样可实
5现一次分离三组分混合物的目的，但会增加固定相的用量。在上述分离方法步骤(1)中，随着进料操作的进行，目标组分必然在II区和III 区内部不断积累，最终II区和III区内部的色谱柱会达到吸附饱和，以至于目标组分从萃 余液中泄漏，此时色谱柱利用率达到最大，如果继续进料，并不能增加色谱柱的利用率，反 而只是浪费时间和动力；反过来，如II区和III区内部色谱柱尚未达到饱和即停止进料，则 未能充分利用色谱柱。故应尽可能让II区和III区内部的色谱柱刚好达到吸附饱和，这可 通过检测萃余液出口组成来予以判断，此时目标组分刚好开始从萃余液中泄露。因此，作为 优选，当目标组分在II区和III区内部不断积累，直到色谱柱吸附饱和以至于目标组分刚 开始从萃余液中泄漏时，停止进料操作。在上述步骤(2)的纯化操作中，随着前杂不断流出III区和后杂不断地流出II 区，II区和III区内部的目标组分被不断纯化。作为优选，当前杂和后杂都去除干净，直到 萃余液中的前杂和萃取液中的后杂含量都为0时，停止纯化操作，这十分有利于接下来的 回收操作。在上述步骤(2)的纯化操作中，有些情况下，前杂可能已被去除干净，而后杂还残 留在II和III区内部；或者后杂可能被去除干净，而前杂残留在II区和III区内部，在上 述情况下，也可以停止纯化操作立即进行步骤⑶的回收操作。针对不同情况，进行的回收 操作如下若模拟移动床的II区和III区内部含有残留的前杂和被截留的目标组分，后杂 含量为0，则降低II区流量，从萃取液出口收集目标组分，从萃余液出口收集前杂；若模拟 移动床的II区和III区内部含有残留的后杂和被截留的目标组分，前杂含量为0，则增加 II区流量，从萃余液出口收集目标组分，从萃取液出口收集后杂。在上述步骤(3)的回收操作中，当步骤(2)的纯化操作完成后，模拟移动床色谱的 II区和III区内部只含有目标组分时(后杂和前杂含量均为0)，可以采用以下三种方法中 的任一种来回收目标组分方法(1)降低II区内部液相流量，其余操作条件与纯化阶段操作条件相同，使截 留在II区和III区柱子内部的目标组分跟随柱子切换逆向移动，从而从萃取液出口收集目 标组分；方法(2)将流入进料口的溶液1更换为溶液2，其余操作条件则与纯化阶段操作 条件相同，使截留在II区和III区柱子内部的目标组分跟随液相流动，从而在萃余液出口 收集目标组分；方法(3)采用纯化阶段相同的操作条件，但物料进出口位置不再定期切换，从而 在萃余液出口回收目标组分。本发明的优点和有益效果1.本发明采用模拟移动床分离三组分混合物的方法过程中，采用II区内部液相 的洗脱能力强于III区内部液相的洗脱能力这一措施，使中等保留组分(目标组分)在II 区内部跟随液相往III区移动，而在III区内部则跟随柱子切换往II区逆向移动，从而能 够将目标组分截留在II区和III区内部，并经过纯化、回收步骤，实现使用模拟移动床一次 性分离出目标组分的目的，且节省溶剂和设备消耗，降低了成本。2.本发明的方法也可如附图2所示，将模拟移动床的I区与II区断开，洗脱液2 直接从II区入口流入模拟移动床，而用另一个可将I区内部的后杂洗脱完全的溶液冲洗I
6区，并将I区流出液全部收集为萃取液；或者如图3和4所示，在洗脱液入口和萃余液出口 之间再设置一个IV区，同样达到使用模拟移动床一次分离三组分混合物得到目标组分的 目的。
图1为本发明采用三个区的模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法工艺流程 结构示意图。图2为本发明采用三个区的模拟移动床色谱，且I区与II区断开的分离三组分混 合物的方法工艺流程结构示意图。图3为本发明采用四个区闭环模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法工艺流 程结构示意图。图4为本发明采用四四区开环模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法工艺流 程结构示意图。在用图1到图4所示的模拟移动床色谱分离三组分混合物方法的步骤(3)—一回 收操作中，均将II区流量设为0，故III区流出液即为溶液1。图5为传统模拟移动床设备结构示意图。如图1至5所示1洗脱液入口，2.萃取液出口，3.进料口(原料液进口或溶液1 进口)，4.萃余液出口，5. II区入口。图6为辣椒碱总碱在反相色谱柱上的色谱谱图，依次出峰的组分1，2，3，4分别为 降二氢辣椒碱，辣椒碱，二氢辣椒碱和高辣椒碱。图7为实施例1进料操作过程中的161至200分钟内萃取液和萃余液的反相色谱 分析谱图。图8为实施例1纯化操作过程中的41至60分钟内萃取液和萃余液的反相色谱分 析谱图。图9为实施例1回收操作过程中所获得的目标产品分析谱图。
具体实施例方式下面以辣椒总碱的分离作为例子，详细说明本发明的技术方案。辣椒总碱原料购 自郑州贝拜欧生物技术有限公司。如图6所示，在反相硅胶柱上，辣椒总碱中各个单体的出 峰顺序依次为降二氢辣椒碱、辣椒碱、二氢辣椒碱和高辣椒碱等，其中目标组分为二氢辣椒 碱，前杂为降二氢辣椒碱与辣椒碱，后杂为高辣椒碱。用本发明提出的三组分模拟移动床分 离方法从辣椒总碱中分离出二氢辣椒碱。1.模拟移动床色谱分离系统模拟移动床色谱分离系统为德国Knauer公司产CSP9116，包括洗脱液泵P1、II区 内部循环泵P2、进料泵P3和IV区内部循环泵P4和色谱柱。如图5所示，II区和IV区内 部流量分别由II区和IV区内部的循环泵P2和P4控制，而I区流量则由IV区内部循环 泵P4与洗脱液泵Pl共同控制，III区内部流量由II区内部循环泵P2和进料泵P3共同控 制，操作温度30°C。每隔一定时间，洗脱液入口和进料口均沿液体流动方向切换至下一根柱 子入口，而萃余液出口和萃取液出口沿液体流动方向移动至下一根柱子出口。该分离系统通过不同变化，可实现本发明提出的三组分模拟移动床分离方法，例如关闭IV区内部循环 泵，即可实现图1或图2所示的相当于三个区模拟移动床的分离方法。2.分离步骤1)进料用不同比例的甲醇和水配制溶液1和溶液2(溶液2中具有强洗脱能力 的甲醇的体积百分比高于溶液1中甲醇的体积百分比)，将原料(含有三个组分，按其出峰 顺序依次为前杂_降二氢辣椒碱和辣椒碱；目标组分一 二氢辣椒碱；后杂_高辣椒碱等) 溶于溶液1配制成原料液，然后将原料液和溶液2分别从进料口 3和洗脱液入口 1流入模 拟移动床，与此同时，从萃余液出口 4收集前杂，从萃取液出口 2收集后杂，当萃余液中刚开 始出现目标组分时，停止进料操作；2)纯化将原料液换成溶液1从进料口流入模拟移动床，溶液2仍从洗脱液入口 流入模拟移动床，与此同时，分别从萃余液出口 4收集前杂、萃取液出口 2收集后杂，当模 拟移动床内部的前杂和后杂全部去除干净直到萃余液和萃取液中的前杂和后杂含量均为0 时，停止纯化操作；3)回收采用纯化阶段的操作条件，但降低II区内部液相流量至0，使截留在II 区和III区柱子内部的目标组分跟随柱子切换逆向移动，并从萃取液出口 2流出。上述步骤完成后，重新开始第二批次三组分混合物的分离，即进料_纯化_回 收-进料-纯化_回收，如此轮回操作。3.成品检验高效液相色谱分析产品纯度。高效液相色谱系统组成Knauer K501泵， AgilentTC-C18柱(4. 6 X 150mm, 5 μ m)，Knauer K2501检测器；液相色谱分析条件流动相 为甲醇/水(体积比70/30)，流速0. 5mL/min,检测波长280nm,柱温:30°C。下面通过具体实施例对本发明给予进一步说明。实施例中，模拟移动床色谱使用 的色谱柱直径1cm，长度10cm，填料为日本富士公司产C18硅胶，粒径20 45 μ m。分别配 制两种溶液，其中溶液1为甲醇/水(体积比60/40)，溶液2为甲醇/水(体积比80/20)。 将辣椒总碱原料溶于溶液1，制成浓度10mg/mL的原料液。实施例1(见图1所示)I区、II区、III区各安排2根柱子。并停用如图5所示的传统模拟移动床设备的 IV区循环泵P4(相当于IV区不使用，仅为具有三个区的开环模拟移动床)。步骤1-进料将原料液从进料口 3以3mL/min流量泵入模拟移动床分离系统；而 溶液2以4. 5mL/min流量从洗脱液入口 1流入模拟移动床分离系统(原料液和溶液2同时 进入分离系统)；II区流量控制为3mL/min，每隔5分钟，洗脱液入口 1和进料口 3均沿液体 流动方向切换至下一根柱子入口，而萃余液出口 4和萃取液出口 2沿液体流动方向移动至 下一根柱子出口。分别用高效液相色谱分析萃余液和萃取液组成，结果表明萃余液和萃取 液中分别含有前杂和后杂，但均不含目标组分，表明目标组分已被有效地截留在系统的II 区和III区内部。当达到48次切换(即240分钟)后，萃余液中开始有目标组分流出，表 明色谱柱已达到吸附饱和，此时停止进料操作。图7为进料阶段的161分钟至200分钟内 的萃余液和萃取液的液相分析谱图，从图可知目标组分已被有效地截留在II区和III区内 部，因而萃取液和萃余液中均不含目标组分。步骤2纯化将原料液换为溶液1，而溶液2仍从洗脱液入口 1流入分离系统，分别用高效液相色谱分析萃余液和萃取液组成，发现约32次切换(即160分钟)后，萃余 液和萃取液中前杂和后杂含量为0，此时停止纯化操作。图8为纯化阶段的41分钟至60分 钟内的萃余液和萃取液的液相分析谱图，从图可知萃取液和萃余液中均不含目标组分，目 标组分在II区和III区内部已获得有效的纯化。步骤3回收与纯化操作条件相同，但关闭II区内部循环泵，即II区内部流 量为0。分别用高效液相色谱分析萃取液和萃余液组成，经8次切换(即40分钟)即可将 截留在II区和III区内部的目标组分全部从萃取液中回收，且萃取液只含目标组分，不含 后杂和前杂。回收完毕后又重新开始进料操作。图9为在回收阶段从萃取液出口中收集到 的产品溶液的液相分析谱图，从图可知，产品溶液中不含前杂和后杂，只含有目标组分，且 目标组分在产品液中的浓度高于其在原料液中的浓度(比较图6和图9)。实施例2 (见图2所示)采用实施例1的仅相当于三个区的模拟移动床，但断开其中的I区和II区，将溶 液2通过II区入口 5直接流入II区，而用纯甲醇(溶液3)冲洗I区，并将I区流出液全 部收集为萃取液。其余操作条件与操作步骤与实施例1相同。实验结果表明，产品分离纯 度不变化。实施例3 (见图3或图4所示)采用四区的模拟移动床，即在模拟移动床的萃余液出口和洗脱液入口之间再设置 一个IV区，I区、II区、III区和IV区各安排2根柱子，IV区流量设为2mL/min。其余操作 条件和操作步骤与实施例1相同。实验结果表明，增设一个IV区不影响分离效果。实施例4将实施例1中的进料时间缩短至3个小时(即II区、III区内部色谱柱未达到吸 附饱和)，其余操作条件与操作步骤不变，同样实现了使用模拟移动床一次分离得到目标组 分的目的。实验结果表明，产品分离纯度不变，但产品浓度降低。实施例5将实施例1中的进料时间延长至5个小时(即II区和III区内部色谱柱达到吸 附饱和后仍进行进料操作)，其余操作条件与操作步骤不变，同样实现了使用模拟移动床一 次分离得到目标组分的目的。实验结果表明，产品分离纯度和产品浓度均不变。实施例6 步骤1-进料与实施例1中的步骤1相同；步骤2纯化将原料液换为溶液1，而溶液2仍从洗脱液入口 1流入分离系统。 分别用高效液相色谱分析萃余液和萃取液组成，当模拟移动床切换16次(即80分钟)后， 萃余液的前杂含量为0，萃取液中还含有后杂，这表明前杂已去除干净，而后杂仍有残留。此 时，停止纯化操作；步骤3回收与纯化操作条件相同，但增加II区流量至4. OmL/min。分别用高 效液相色谱分析萃取液和萃余液组成，经20次切换(即100分钟)后，截留在II区和III 区内部的目标组分被全部从萃余液中回收，而残留的后杂则总萃取液中回收。回收完毕后 又重新开始进料操作。以上实施例是对本发明的说明和进一步解释，而不是对本发明的限制，在本发明 的精神和权利保护范围内所做的任何修改，都落入本发明的保护范围。
权利要求
一种用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法，其特征在于采用的模拟移动床色谱包含I区、II区和III区，所述I至III区的每一个区都由1根以上色谱柱串联而成，其中，I区位于洗脱液入口与萃取液出口之间，II区位于萃取液出口与进料口之间，III区位于进料口与萃余液出口之间，具体分离步骤包括(1)进料先配制溶液1和溶液2，其中溶液2中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量高于溶液1中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量，然后将含三个组分的原料溶于溶液1配制成原料液；分别将原料液从进料口、溶液2从洗脱液入口流入模拟移动床，II区内部液相的洗脱能力因此而强于III区内部液相的洗脱能力，使得II区内部的目标组分跟随液相往III区移动，而III区内部的目标组分则跟随柱子切换往II区逆向移动，目标组分由此而被截留在II区和III区内部并逐步积累，与此同时，II区和III区内部的前杂则跟随液相朝萃余液出口移动并随萃余液流出，而III区和II区内部的后杂跟随柱子切换朝萃取液出口移动并随萃取液流出；(2)纯化将原料液换成溶液1从进料口流入模拟移动床，将溶液2从洗脱液入口流入模拟移动床，与此同时，分别从萃余液出口收集前杂，从萃取液出口收集后杂，从而使截留在II区和III区内部的目标组分得以纯化；(3)回收将截留在模拟移动床内部的目标组分冲洗出模拟移动床。
2.根据权利要求1所述的用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法，其特征在于 在分离过程，将模拟移动床色谱的I区与II区断开，将溶液2从II区入口流入模拟移动床， 使II区内部液相的洗脱能力强于III区内部液相的洗脱能力；将任一种能够洗脱I区内部 后杂的溶液3从洗脱液入口流入模拟移动床，I区流出液全部收集为萃取液。
3.根据权利要求1所述的用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法，其特征在于 在分离过程，在模拟移动床的萃余液出口和洗脱液入口之间再设置一个IV区。
4.根据权利要求1或2或3所述的用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法，其特 征在于在进料阶段，当目标组分在II区和III区内部不断积累直到色谱柱吸附饱和以至 于目标组分刚开始从萃余液中泄漏时，停止进料操作。
5.根据权利要求1或2或3所述的用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法，其特 征在于在进料阶段，当目标组分在II区和III区内部色谱柱上尚未达到饱和，停止进料操 作。
6.根据权利要求1或2或3所述的用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法，其特 征在于在进料阶段，当目标组分在II区和III区内部色谱柱上已经过饱和，停止进料操作。
7.根据权利要求1或2或3所述的用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法，其特 征在于在纯化阶段，当模拟移动床内部的前杂和后杂都全部去除干净，直到萃余液中的前 杂和萃取液中的后杂的含量都为O时，停止纯化操作。
8.根据权利要求1或2或3所述的用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法，其特 征在于在纯化阶段，当II区和III区的色谱柱中只含有前杂和被截留的目标组分，而后杂 含量为O时，停止纯化操作，进行回收操作，即降低II区流量，从萃取液出口收集目标组分， 从萃余液出口收集前杂。
9.根据权利要求1或2或3所述的用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法，其特征在于在纯化阶段，当II区和III区的色谱柱中只含有后杂和被截留的目标组分，而前杂 含量为O时，停止纯化操作，进行回收操作，即增加II区流量，从萃余液出口收集目标组分， 从萃 取液出口收集后杂。
全文摘要
本发明公开一种用模拟移动床色谱分离三组分混合物的方法，分离步骤为1)进料使II区内部液相的洗脱能力强于III区内部液相的洗脱能力，从而将目标组分截留在II区和III区内部；2)纯化将进料液更换成溶解原料所用的溶液，继续使II区内部液相的洗脱能力强于III区内部液相的洗脱能力，从而可将前杂和后杂去除干净，进一步纯化截留在II区和III区内部的目标组分；3)回收将截留在II区和III区内部的目标组分冲洗出模拟移动床。然后，重新进料、纯化、回收，如此轮回操作。本发明的模拟移动床色谱分离系统能够从一次性从多组分混合物中有效地分离出中等保留的目标物，从而节约能耗，降低生产成本。
文档编号B01D15/08GK101961565SQ201010290708
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者危凤 申请人:浙江大学宁波理工学院