一种基于模拟移动床的连续梯度洗脱系统及其处理方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于化学化工分离领域，设及一种连续梯度洗脱系统及其处理方法，尤其 设及一种基于模拟移动床的连续梯度洗脱系统及其处理方法。
【背景技术】
[0002] 制备色谱分离过程设及两类洗脱操作方式:等度洗脱和梯度洗脱。等度洗脱是指 在洗脱分离过程中，洗脱液的组成比例和流速维持恒定不变，根据洗脱液对色谱柱固定相 上吸附的不同待分离组分的洗脱速率不同，从而将不同目标组分洗脱分离的操作方式。等 度洗脱具有操作工艺简单的优点，是目前应用最广泛的色谱分离方法。但是，当待分离组分 的化学性质差异较小时，等度洗脱分离存在分离周期长、谱带迁移距离长W及处理量小等 局限性。梯度洗脱是指在洗脱分离过程中，按预先设定的一定程序不断改变洗脱液的浓度 配比和流速，改变洗脱流动相的极性，使得流出液中的每个目标组分都有各自合适的容量 因子k，从而使样品中的所有目标组分可在最短时间内实现最佳分离的操作方式。梯度洗脱 可W强化洗脱液对不同目标组分的分离效果，从而实现难分离组分的强化分离，具有分离 能力高，分离周期短等优点。
[0003] 模拟移动床(SMB)色谱分离装置是一种实现连续色谱分离的常用设备，广泛应用 于难分离组分的色谱分离，如手性物质的色谱分离。常见的SMB装置分为两类：阀口切变型 和旋转木马型，大多配合等度洗脱的操作方式使用。US 20030141252A1公开了一种阀口切 变型模拟移动床分离装置，用于分离两种醋酸纤维素的同分异构体。该发明采用甲醇作为 洗脱液进行等度洗脱，耗时30小时，才得到1.69g纯度为95%的目标产物。整个分离工艺耗 时长、处理量小。US 4621103提出了一种阀口切变型模拟移动床分离10B/11B同位素的方 法。该发明采用6根串联的色谱柱进行模拟移动床等度洗脱。洗脱液为浓度O.lmol/L的硫酸 水溶液，洗脱流量为26mL/min，经过3.2小时，在谱带迁移距离为6m处得到最高纯度仅为 28.5%的IOB同位素富集液。为了获得纯度达到85% W上的IOB同位素富集液，需要进一步 提高洗脱流出液中 IOB的丰度。Yoichi Sakuma等（Boron Isotope Separation by Ion Exchange Chromatography Using Weakly Basic Anion Exchange Resin . BulI.畑em. Soc . Japan，53，1860-1863(1980))将模拟移动床的洗脱流速降低至 12mL/h，并经过数百小时长达256m的谱带迁移距离才将洗脱流出液中IOB的丰度提高到 90%。传统的模拟移动床结合等度洗脱的方法并不适用于物化性质极其相近的难分离组分 的快速、大规模色谱制备分离，分离周期长，处理量小，严重限制了该项技术的发展。
[0004] 相比而言，梯度洗脱与模拟移动床联用的操作方式鲜见报道。Stefanie Abel等 (Solvent gradient operation of simulated moving beds I . Langmuir isotherms . Journal of Chromatography A ,944(2002)23-39;Solvent gradient operation of simulated moving beds 2. Langmuir isotherms.Journa I of Chromatography A, 1026(2004)47-55.)提出一种在模拟移动床洗脱区不同位置累入不同 浓度的洗脱液进行淋洗的方法。该方法可显著提高手性难分离组分的分离度。但是，该方式 实际上是对模拟移动床洗脱区不同位置的色谱柱，用不同浓度的洗脱液进行等度洗脱，对 洗脱区的每根色谱柱而言，并不能实现连续的梯度洗脱。Joukje化wing和Dorota Antos 等（Optimization of azeotropic protein separations in gradient and isocratic ion-exch曰nge simul曰ted moving bed chrom曰togr曰phy,Journ曰I of Chromatogr曰phy A, 944(2002)189-201；Effeet of salt gradients on the separation of dilute mixtures of proteins by ion-exchange in simulated moving beds Journal of Chromatography A,952(2002)85-98；Two-step solvent gradients in simulated moving bed chromatography Numerical study for linear equilibria Journal of C虹omatography A，944(2002)77-91.)采用模拟移动床与梯度洗脱联用的操作方式分离两 种具有共沸点的蛋白质，洗脱液为高浓度的氯化钢溶液混入低浓度的氯化钢溶液，获得浓 度随时间逐渐增加的梯度洗脱液。但是，该发明进行梯度洗脱时，是将模拟移动床的整个洗 脱区中的所有色谱柱看作一个整体，对整个洗脱区进行梯度淋洗，即对洗脱区中的所有色 谱柱仅供给一个浓度随时间变化的梯度洗脱液进行梯度洗脱，不能分别对洗脱区的每根色 谱柱进行连续地、周期性重复地供给浓度随时间变化的梯度洗脱液，分离周期仍然较长、单 级分离因子小。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存的问题，本发明提供了一种基于模拟移动床的连续梯度洗脱系 统及其处理方法，所述系统由模拟移动床(SMB)和与模拟移动床相连通的配图装置组成，该 配套装置能够对SMB洗脱区的每一根色谱柱连续、周期性地重复供给梯度洗脱液。采用本发 明所述的系统对SMB洗脱区多个串联的色谱柱进行洗脱过程中，SMB的转盘每旋转一格，配 套装置可W对与SMB洗脱区入口相连的每一根色谱柱连续供给浓度随时间逐渐增加的梯度 洗脱液，从而实现对洗脱区每根色谱柱的梯度洗脱;并且，每一根色谱柱的梯度洗脱过程均 与前一根色谱柱的梯度洗脱过程完全重复，每一根色谱柱的梯度洗脱液浓度随时间增加的 方式均与前一根色谱柱的梯度洗脱液浓度随时间增加的方式完全重复，从而实现对SMB洗 脱区的每根色谱柱的周期性重复供给梯度洗脱液。
[0006] 为达此目的，本发明采用W下技术方案：
[0007] 第一方面，本发明提供了一种基于模拟移动床的连续梯度洗脱系统，所述系统包 括模拟移动床W及与模拟移动床洗脱区的单根色谱柱相连的配套装置。
[0008] 作为本发明优选的技术方案，所述配套装置包括第一洗脱液储罐、第二洗脱液储 罐、纯水储罐、第一洗脱液缓冲罐和第二洗脱液缓冲罐，第一洗脱液储罐的出液口分别与第 一洗脱液缓冲罐和第二洗脱液缓冲罐的进液口通过管路连接，纯水储罐的出液口分别与第 一洗脱液缓冲罐和第二洗脱液缓冲罐的进液口通过管路连接，第二洗脱液储罐的出液口分 别与第一洗脱液缓冲罐和第二洗脱液缓冲罐的进液口通过管路连接，第一洗脱液缓冲罐和 第二洗脱液缓冲罐的出液口均与模拟移动床的洗脱区中单根色谱柱的进液口相连，第二洗 脱液储罐的进料液管路还与第一洗脱液缓冲罐和第二洗脱液缓冲罐的进液口相连。优选 地，所述第一洗脱液储罐、第二洗脱液储罐、纯水储罐、第一洗脱液缓冲罐和第二洗脱液缓 冲罐的进液口管路和出液口管路上均设置有阀口。优选地，所述配套装置中的阀口为单向 电磁阀。优选地，所述第一洗脱液储罐、第二洗脱液储罐、纯水储罐、第一洗脱液缓冲罐和第 二洗脱液缓冲罐的出液管路上均设有累。优选地，所述配套装置中的累为蠕动累。
[0009] 作为本发明优选的技术方案，所述第一洗脱液储罐的出液口与第一洗脱液缓冲罐 的进液口之间的管路上设有第一阀口，第一洗脱液储罐的出液口与第二洗脱液缓冲罐的进 液口之间的管路上设有第二阀口，纯水储罐的出液口与第一洗脱液缓冲罐的进液口之间的 管路上设有第=阀口，纯水储罐的出液口与第二洗脱液缓冲罐的进液口之间的管路上设有 第四阀口，第二洗脱液储罐的出液口与第一洗脱液缓冲罐的进液口之间的管路上设有第十 一阀口，第二洗脱液储罐的出液口与第二洗脱液缓冲罐的进液口之间的管路上设有第十二 阀口，第一洗脱液储罐的进液口管路上设有第屯阀口，纯水储罐的进液口管路上设有第十 =阀口，第二洗脱液储罐的进液口管路上设有第十阀口，第二洗脱液储罐的进料液管路与 第一洗脱液缓冲罐进液口相连的管路上设有第五阀口，第二洗脱液储罐的进料液管路与第 二洗脱液缓冲罐进液口相连的管路上设有第六阀口，第一洗脱液缓冲罐的出液口管路上设 有第八阀口，第二洗脱液缓冲罐的出液口管路上设有第九阀口。优选地，第一洗脱液储罐的 出液口管路上设有第一累，第二洗脱液储罐的出液口管路上设有第二累，纯水储罐的出液 口管路上设有第=累，第一洗脱液缓冲罐的出液口管路上设有第四累，第二洗脱液缓冲罐 的出液管路上设有第五累。
[0010] 作为本发明优选的技术方案，所述第一洗脱液储罐和第二洗脱液储罐中洗脱液的 浓度均保持恒定。优选地，所述第一洗脱液储罐中洗脱液的浓度大于第二洗脱液储罐中洗 脱液的浓度。即第一洗脱液储罐中相对高浓度的洗脱液对组分的洗脱效果强，第二洗脱液 储罐中相对低浓度的洗脱液对组分的洗脱效果弱，两种不同浓度的洗脱液在第一洗脱液缓 冲罐或第二洗脱液缓冲罐中W任意体积比例混合，形成梯度洗脱液。优选地，所述第二洗脱 液储罐中洗脱液的浓度始终与第一洗脱液缓冲罐中洗脱液的初始浓度和第二洗脱液缓冲 罐中洗脱液的初始浓度相同，W便在运行过程中对第一洗脱液缓冲罐或第二洗脱液缓冲罐 补充初始浓度的缓冲液。优选地，所述第一洗脱液缓冲罐中洗脱液的初始体积与第二洗脱 液缓冲罐中洗脱液的初始体积相同。
[0011] 第二方面，本发明提供了一种上述连续梯度洗脱系统的连续梯度洗脱方法，所述 连续梯度洗脱系统对模拟移动床洗脱区的色谱柱进行洗脱过程中，随着模拟移动床转盘的 旋转，配套装置向模拟移动床洗脱区中与配套装置相连的单根色谱柱供给梯度洗脱液。其 中，所述梯度洗脱液中溶剂了洗脱剂，洗脱剂在洗脱液中的浓度随时间逐渐增加。
[0012] 作为本发明的优选方案，所述模拟移动床转盘每旋转一格，配套装置中第一洗脱 液缓冲罐或第二洗脱液缓冲罐向模拟移动床洗脱区中与配套装置相连的单根色谱柱供给 浓度随时间逐渐增加的梯度洗脱液，完成一次梯度洗脱过程。即模拟移动床转盘每旋转一 格，第一洗脱液缓冲罐或第二洗脱液缓冲罐可W向与模拟移动床洗脱区入口对准的那一根 色谱柱连续提供梯度洗脱液，通过运一过程，实现对洗脱区每根色谱柱的梯度洗脱。优选 地，所述模拟移动床转盘每旋转一格，模拟移动床洗脱区中与配套装置相连的单根色谱柱 的洗脱过程与前一根色谱柱的梯度洗脱过程相同。优选地，所述模拟移动床转盘每旋转一 格，模拟移动床洗脱区中与配套装置相连的单根色谱柱中梯度洗脱液的浓度随时间逐渐增 加的方式与前一根色谱柱中梯度洗脱液的浓度随时间逐渐增加的方式相同，从而实现对洗 脱区的每根色谱柱的周期性重复梯度洗脱。
[0013] 作为本发明的优选方案，所述方法包括W下步骤：（1)初始时刻（即t = 0时刻），将 第一洗脱液储罐中的洗脱液送入第一洗脱液缓冲罐中与第一洗脱液缓冲罐中的洗脱液混 合，混合后的洗脱液流入模拟移动床的洗脱区中的一根色谱柱，对色谱柱进行洗脱；（2)当 第一洗脱液储罐中的混合液对单根色谱柱洗脱完毕后（即t = tQ时刻），停止将第一洗脱液 储罐中的洗脱液送入第一洗脱液缓冲罐W及停止第一洗脱液缓冲罐中的洗脱液进入模拟 移动床；同时，模拟移动床的转盘旋转一格，切换至下一根色谱柱;再将第一洗脱液储罐中 的洗脱液送入第二洗脱液缓冲罐中与第二洗脱液缓冲罐的洗脱液混合，混合后的洗脱液流 入模拟移动床的洗脱区中的色谱柱，对单根色谱柱进行洗脱;在第二洗脱液缓冲罐中的混 合洗脱液对色谱柱进行洗脱的同时，用纯水储罐向第一洗脱液缓冲罐补充纯水至第一洗脱 液缓冲罐中洗脱液恢复至初始浓度，再用第二洗脱液储罐向第一洗脱液缓冲罐补充洗脱液 至初始体积；（3)当第二洗脱液缓冲罐中的混合液对单根色谱柱洗脱完毕后（即t = 2tQ时 刻），停止将第一洗脱液储罐中的洗脱液送入第二洗脱液缓冲罐W及停止第二洗脱液缓冲 罐中的洗脱液进入模拟移动床，同时，模拟移动床的转盘旋转一格，切换至下一根色谱柱； 再将第一洗脱液储罐中的洗脱液送入第一洗脱液缓冲罐中重复步骤（1)中的操作，即将第 一洗脱液储罐中的洗脱液送入第一洗脱液缓冲罐中与第一洗脱液缓冲罐中的洗脱液混合， 混合后的洗脱液流入模拟移动床的洗脱区中的一根色谱柱，对色谱柱进行洗脱;在第一洗 脱液储罐中的混合洗脱液对色谱柱进行洗脱的同时，用纯水储罐向第二洗脱液缓冲罐补充 纯水至第二洗脱液缓冲罐中洗脱液恢复至初始浓度，再第二洗脱液储罐向第二洗脱液缓冲 罐补充洗脱液至初始体积；（4)当第一洗脱液储罐中的混合液对单根色谱柱洗脱完毕后（即 t = 3tQ时刻），重复步骤(2)的操作；（5)当第二洗脱液缓冲罐中的混合液对单根色谱柱洗脱 完毕后（即t = 4tQ时刻），重复步骤(3)的操作；（6)依次类推，重复上述操作直至模拟移动床 洗脱区的色谱柱完成洗脱。
[0014] 其中，tQ为SMB色谱柱的切变时间，即SMB转盘每旋转一格，到下一次旋转所需要的 时间间隔;对于每根色谱柱而言，tQ等于色谱柱中慢组分在该色谱柱内的保留时间。
[0015] 作为本发明的优选方案，模拟移动床洗脱区单根色谱柱中梯度洗脱液的浓度随时 间增加的方式由第一洗脱液储罐流入第一洗脱液缓冲罐或第二洗脱液缓冲罐的液体的流 量与第一洗脱液缓冲罐或第二洗脱液缓冲罐流入模拟移动床洗脱区的液体的流量比值决 定。优选地，当2倍的第一洗脱液储罐流入第一洗脱液缓冲罐或第二洗脱液缓冲罐的液体的 流量等于第一洗脱液缓冲罐或第二洗脱液缓冲罐流入模拟移动床洗脱区的液体的流量时， 模拟移动床洗脱区单根色谱柱中梯度洗脱液的浓度随时间呈线性增加。优选地，当2倍的第 一洗脱液储罐流入第一洗脱液缓冲罐或第二洗脱液缓冲罐的液体的流量大于第