专利名称：：一种改进的模拟移动床分离方法
技术领域：
：本发明涉及一种改进的模拟移动床分离方法。技术背景近年来，分离科学面临着新的挑战分离对象越来越复杂，分离难度越来越大，与此同时对产品纯度的要求则越来越高。间歇制备色谱作为一种高效分离手段，可在一定程度上满足这些要求。但由于其固有的固定相和流动相用量大、固定相利用率低、分离产物稀释度高、分离成本过高等缺点，严重阻碍了它的工业应用。产生于上世纪60年代的模拟移动床色谱(SimulatedMovingBed,SMB)由于克服了间歇制备色谱的缺点，日益受到重视。尤其自上世纪卯年代以来，因其在手性拆分领域的成功应用，目前对模拟移动床的研究十分活跃。模拟移动床以色谱为操作单元，将多根色谱柱首尾相接成一闭环，洗脱液(Eluent)入口、萃取液(Extract)出口、进料液(Feed)入口、萃余液(Raffinate)出口将之分为四个区间。在洗脱液入口和萃取液出口之间称为I区，其作用在于将强吸附组分从固定相上解吸下来而再生固定相，故强吸附组分将随流动相朝萃取液出口移动；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，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；在萃余液出口和洗脱液入口之间为IV区，弱吸附组分在这一区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，故从IV区流出的流动相可全部进入I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。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，设备简单，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分离效率。模拟移动床分离领域中，"三角形理论"被广泛应用于操作条件的设计和优化。它将各区流动相流速F、柱子体积Vc。卜柱子空隙率s、进出口切换周期t关联而成四个参数m广m4，这四个无因次参数需满足如下条件，分离组分才能获得有效分离。w一厶卜Kco/.gzr"、上述式(13)中，K!和K2分别表示弱吸附和强吸附组分的吸附平衡常数。从式(13)可推出=化—尸j^i^4^仏-^)=(《—《K)2——^.(《2-&)(4)Fm/=(Fffl_F//);。'.((-g)，2(5)从式(4~5)，当两分离组分的吸附平衡常数之差(K2-K!)增加时，有利于提高进样量Feed，但此时将增加洗脱液用量Eluent，并由此带来系统压力升高的负面影响；反之，当两组分的吸附平衡常数之差(K2-Id)降低时，虽然能够减少I区的洗脱液用量，但此时将使进样量Feed降低。这样一对矛盾往往需要折衷考虑。例如在用反相色谱模式时，流动相常常用含水的有机溶液，此时分离组分的吸附平衡常数之差(K2-K,)将随水含量的增加而增加，故从进样量考虑，应增加流动相中水含量；而从洗脱液用量方面考虑，则应降低流动相中水含量。
发明内容本发明的目的是从根本上解决上述矛盾，提供一种改进的模拟移动床分离方法，其基于的科学原理与常规模拟移动床分离原理相同，但可以同时满足进样液流量大，而洗脱液用量少这一对难以兼顾的要求。本发明的技术方案是这样实现的〒种改进的模拟移动床分离方法，以色谱柱为操作单元，包括i、n、ni、iv四个区间，每隔一定时间，各根色谱柱均沿流动相逆向移动一根柱长进行区间切换，其特征在于切换前，iv区流出液直接循环流入ii区，切换后，待新iv区流出液的流动相相组成稳定后再直接循环流入新n区；而且，i区固定相的再生用一种与niv区流动相组成不同的溶液完成，其流出液不循环流入n区，全部收集为萃取液。进一步，i区采用的流动相的洗脱能力大于niv区流动相的洗脱能力，其流出液全部收集为萃取液，而不像在常规模拟移动床中只有一部分收集为萃取液，另一部分则循环进入n区。iv区流出液在每一个切换周期初始阶段先循环流入i区，当iv区内部流动相全部被in区流出液顶替完全时，则将iv区流出液流入ii区。本发明提供的一种改进的模拟移动床分离方法包括下述步骤(1)在n区和in区之间的进样液入口泵入原料液，IV区流出液直接循环流入II区；用一种组成不同于II~IV区流动相组成的洗脱液冲洗I区；(2)在萃余液出口和萃取液出口分别收集弱吸附组分和强吸附组分的流分；(3)隔一定时间后，各根色谱柱均沿流动相逆向移动一根柱长进行区间切换，在每一个切换周期的初始阶段，iv区流出液循环流入i区，当新iv区流出液组成与新niv区内部流动相组成相同时，将之与补充液一并直接循环流入新n区；在新的萃余液出口和萃取液出口分别收集弱吸附组分和强吸附组分的流分。在改进的模拟移动床中，i区要求固定相再生完全，可选择一种洗脱能力更强的溶剂，这时可减少i区流量，因而也随之降低了系统压力；在iiiii区，因要求分离组分的吸附平衡常数之差大，故选择一种洗脱能力较弱的溶剂从n区入口泵入，并用同样组成的溶剂溶解固体原料后，将原料液从进样液入口泵入，这样能获得高的进样液流量。例如在用含水有机溶液作流动相的反相色谱模式中，i区可用低水含量的有机溶液洗脱，而在iim区中，则可选择高水含量的有机溶液作流动相。因为模拟移动床中的色谱柱不断切换，在每一个切换周期，iv区最后一根柱子为上一个切换周期内i区第一根柱子。故每一个切换初始阶段，iv区流出液组成将与i区内部流动相组成相同，如果将其全部循环进入n区，贝ijniv内部流动相组成将随之变化，流动相洗脱能力也因之增加，这将降低分离组分在n区和m区之间的吸附平衡常数之差，从而降低进样液流量。故先将iv区流出液循环进入i区。由于n~iv区内各根色谱柱首尾相接，故iv区最后一根柱子内部原有的流动相将逐步被n~in区的流动相顶替，以致该根柱子内部流动相与n~iv区其它所有柱子内部的流动相组成相同。因而，此时可将iv区流出液与n区补充液一同流入n区。色谱柱内部的流动相流型接近活塞流，一般当iv区流出液体积达到i倍色谱柱体积时，iv区最后一根柱子内部流动相已基本被顶替完全。因而实际操作中，在每一个切换周内，当iv区流出液体积达到i倍色谱柱体积时，可开始将之与补充液合并一同流入ii区。这种措施保证n~m区内部流动相的组成不发生变化，因而能够保持高的进样液流量。与常规模拟移动床相比，因改进方法中i区流量被降低，同时iv区流出液得到了充分利用，其一部分先流入i区，另一部分则后流入n区，故流动相消耗得到降低。本发明与现有技术相比，可在降低洗脱液用量的同时，获得高的进样液流量。说明书附i为常规的模拟移动床系统结构图。图2为本发明的改进的模拟移动床系统结构图。其中各数字和符号代表的意思为18为色谱柱编号；PI-进样泵；P2-IV区循环泵；P3-洗脱液泵；P4-II区循环泵；V为三通切换阀。具体实施方式下面将以辣椒总碱的分离作为例子，详细说明本发明。辣椒总碱原料购自郑州贝拜欧生物技术有限公司，由降二氢辣椒碱、辣椒碱、二氢辣椒碱和高辣椒碱等化合物构成。采用改进的模拟移动床分离方法将辣椒总碱分离成两个组分弱吸附组分为降二氢辣椒碱和辣椒碱，从萃余液出口采出；强吸附组分为二氢辣椒碱和高辣椒碱，从萃取液出口采出。1.流动相组成与辣椒总碱中各化合物的吸附平衡常数的关系采用甲醇/水作流动相，用大连依利特公司产C18硅胶柱(HypersilODS，柱子内径lcm，柱长10cm)来分离辣椒总碱中的辣椒碱类化合物。各个化合物的吸附平衡常数随流动相中甲醇含量的关系如表1所示。表1辣椒碱类化合物在不同流动相组成下的吸附平衡常数<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表1中，K^K4分别为降二氢辣椒碱、辣椒碱、二氢辣椒碱和高辣椒碱的吸附平衡常数。从表1可知，各个化合物的吸附平常数随流动相中水含量增加而增加，辣椒碱与二氢辣椒碱、辣椒碱与高辣椒碱之间的吸附平衡常数之差也随之增加。因模拟移动床只需将辣椒总碱分离为弱吸附组分(降二氢辣椒碱和辣椒碱)与强吸附组分(二氢辣椒碱和高辣椒碱)，故II区和III区流量(即进样液流量)取决于辣椒碱和二氢辣椒碱的吸附平衡常数；I区和IV流量(即洗脱液流量)则取决于高辣椒碱和降二氢辣椒碱的吸附平衡常数。因而如果使得i区流动相中水含量低，而niv区水含量高，则既能获得高的进样液流量，又能降低洗脱液用量。2.改进的模拟移动床分离系统常规模拟移动床系统由多根色谱柱首位相连，形成一个闭环。如图1所示，阿拉伯数字为色谱柱编号，在泵的驱动下，液相顺时针循环流动。进样液、萃余液、洗脱液和萃余液四股物料进出口将模拟移动床分成I，n，III和IV四个区。定期将各根柱子同时沿逆时针方向移动一根柱长，或将四股物料进出口位置同时沿顺时针方向移动到下一根柱子出口，以此模拟出液固两相的逆流移动效果。改进的模拟移动床分离系统包括进样泵、洗脱液泵、n区和iv区循环泵、旋转阀和色谱柱。如图2所示，原料液从原料液入口泵入模拟移动床分离系统，在每一个切换周期的初始阶段，IV区流出液与洗脱液合并后流入I区；当IV区流出液体积达到一倍柱体积时，将之与n区补充液合并流入n区。弱吸附组分从萃余液出口流出系统，强吸附组分则从萃取液出口流出系统。每隔一定时间，各根柱子均沿流动相的逆向流动方向移动一根柱长。操作温度3(TC。3.分离步骤分别配制原料液、洗脱液和II区补充液。将原料液从进料口入口泵入分离系统，在每一个切换周期的初始阶段，IV区流出液与洗脱液合并后流入I区；当IV区流出液体积达到一倍色谱柱体积时，将之与n区补充液合并流入n区。设定各区合适的流速和柱子切换时间，从萃余液出口收集弱吸附组分…-降二氢辣椒碱和辣椒碱；从萃取液出口则收集强吸附组分---二氢辣椒碱和高辣椒碱。4.成品检验流动相甲醇/水(体积比70/30)流速0.5mL/min泵KnauerK501泵色谱柱AgilentTC-C18,4.6XI50誦，5|im检测器KnauerK2501检测器检测波长280nm柱温30。C在上述色谱条件下，将辣椒总碱溶液注入色谱柱，各个组分的洗脱顺序依次为降二氢辣椒碱、辣椒碱、二氢辣椒碱和高辣椒碱。下面通过具体实施例对本发明给予进一步说明。实施例中，模拟移动床为德国Knauer公司产CSP9116。色谱柱2X10cra，填料为日本富士公司产C18硅胶，粒径2045nrn，共8根，每区2根。为便于比较本发明提出的改进模拟移动床分离方法与常规模拟移动床分离方法，作了三组试验，三组试验条件下均保证强、弱吸附组分的完全分离，即萃余液中不出现强吸附组分，萃取液中则不出现弱吸附组分。实施例1常规模拟移动床分离用甲醇/水(体积比为65/35)溶液配制浓度为40mg/mL的辣椒总碱溶液，将之从II区和III区之间的进样液入口以1.4mL/min流量泵入分离系统，并将甲醇/水(体积比60/40)溶液作为洗脱液，从I区和IV区之间的洗脱液入口以2mL/min的流量，与IV区流出液一同流入I区。1IV区流量分别设定为12、4.5、5.9、4mL/min。切换时间设定为10min。萃取液和萃余液用高效液相色谱检测，结果表明强吸附组分和弱吸附组分已获得完全分离。实施例2常规模拟移动床分离用甲醇/7jC(体积比95/5)溶液配制浓度为40mg/mL的辣椒总碱溶液，将之从II区和III区之间的进样液入口以0.02mL/min流量泵入分离系统，并将甲醇溶液从I区和IV区之间的洗脱液入口以0.19mL/min的流量，与IV区流出液一同流入I区。I~IV区流量分别设定为0.9、0.73、0.75、0.72mL/min。切换时间设定为lOmin。萃取液和萃余液用高效液相色谱检测，结果表明强吸附组分和弱吸附组分已获得完全分离。实施例3改进的模拟移动床分离用甲醇/水(体积比为65/35)溶液配制浓度为40mg/mL的辣椒碱类化合物，将之从II区和III区之间的进样液入口以1.4mL/min流量泵入分离系统，并将纯甲醇从I区和IV区之间的洗脱液入口以0.8mL/min的流量泵入分离系统。在每一个切换周期内，当IV区流出液体积小于1倍柱体积时，IV区流出液与纯甲醇混合后流入I区；当流出液体积大于1倍柱体积是，将之与新补充的甲醇/水(体积比65/35)溶液一并泵入II区。I~IV区流量分别设定为0.9、4.5、5.9、3.9mL/min。切换时间设定为10min。萃取液和萃余液用高效液相色谱检测，结果表明强吸附组分和弱吸附组分已获得完全分离。表2常规模拟移动床与改进模拟移动床分离方法的分离指标比较<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>上述三组试验分别采用传统的模拟移动床分离方法(流动相组成分别含量65%和95%的甲醇/水)和改进的模拟移动床分离方法。在色谱分离中，进样量与溶剂用量之比(进样量/溶剂用量)，即稀释度是衡量分离优劣的一个重要指标。在传统模拟移动床中，溶剂用量即洗脱液(I区洗脱液)流量；在改进的模拟移动床分离方法中，溶剂用量则为洗脱液与II区新补充溶液用量之和。如表2所示，与传统模拟移动床分离方法相比，本发明提供的改进方法显著提高了稀释度，能够同时满足高进样量和低溶剂用量的要求。以上实施例是对专利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1、一种改进的模拟移动床分离方法，以色谱柱为操作单元，包括I、II、III、IV四个区间，每隔一定时间，各根色谱柱均沿流动相逆向移动一根柱长进行区间切换，其特征在于，切换前，IV区流出液直接循环流入II区，切换后，待新IV区流出液的流动相相组成稳定后再直接循环流入新II区；而且，I区固定相的再生用一种与II～IV区流动相组成不同的溶液完成，其流出液不循环流入II区，全部收集为萃取液。2、根据权利要求1所述的一种改进的模拟移动床分离方法，其特征在于，I区采用的流动相的洗脱能力大于niv区流动相的洗脱能力。3、根据权利要求2所述的一种改进的模拟移动床分离方法，其特征在于，包括下述步骤(1)在II区和III区之间的进样液入口泵入原料液，IV区流出液直接循环流入II区；用一种组成不同于niv区流动相组成的洗脱液冲洗i区；(2)在萃余液出口和萃取液出口分别收集弱吸附组分和强吸附组分的流分；(3)隔一定时间后，各根色谱柱均沿流动相逆向移动一根柱长进行区间切换，在每一个切换周期的初始阶段，IV区流出液循环流入I区，当新IV区流出液组成与新IIIV区内部流动相组成相同时，将之与补充液一并直接循环流入新n区；在新的萃余液出口和萃取液出口分别收集弱吸附组分和强吸附组分的流分。全文摘要本发明涉及一种改进的模拟移动床分离技术，以色谱柱为操作单元，包括I、II、III、IV四个区间，每隔一定时间，各根色谱柱均沿流动相逆向移动一根柱长进行区间切换，切换前，IV区流出液直接循环流入II区，切换后，待新IV区流出液的流动相相组成稳定后再直接循环流入新II区；而且，I区固定相的再生用一种与II～IV区流动相组成不同的溶液完成，其流出液不循环流入II区，全部收集为萃取液。该分离技术基于的科学原理与常规模拟移动床分离原理相同，但可以同时解决进样液流量大，而洗脱液用量少这一对难以兼顾的矛盾，可在降低洗脱液用量的同时，获得高的进样液流量。文档编号B01D15/02GK101327382SQ200810063228公开日2008年12月24日申请日期2008年7月23日优先权日2008年7月23日发明者凤危,波沈,赵迎宪申请人:浙江大学宁波理工学院