CN106669228A - 分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置 - Google Patents

Abstract

分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置，包括由色谱柱、助力泵、连接管道、连接阀、进出料阀、进出料管道组成的一组色谱分离装置。每个色谱柱的进口连接有洗脱剂阀，其连接至洗脱剂总管；料阀，其连接至料总管；循环液阀，其连接至循环管支路。每个色谱柱出口连接有提取液阀，其连接至出提取液总管；提余液阀，其连接至提余液总管。出提取液总管分成2个支路：B支路，连接至B液槽；C支路，连接至C液槽。提余液总管分成3个支路：循环管支路，循环阀开启时，料液流入循环管支路，循环液代替部分洗脱剂；D支路，连接至D液槽；E支路，连接至E液槽。

Description

分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置

技术领域

本发明涉及色谱分离技术领域，具体涉及分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置。

背景技术

模拟移动床色谱分离可分为连续式和程序式。

连续式模拟移动床色谱分离，所有物流包括进料、进洗脱剂、出提取液、出提余物、内循环物等，均是连续的。根据分离的目的不同，进出料和内循环物的流速均可精确调节。进出料的位置随时间改变，不断的重复循环，完成分离的过程。

连续式模拟移动床色谱分离从上世纪60年代即可开始工业应用，最初是应用在石化行业上。

程序式模拟移动床色谱分离，是随着计算机、自动控制技术的发展而发展起来的。

程序式模拟移动床色谱分离，并不是所有物流都连续。包括三个基本段：进料段、洗脱段和循环段。在进料段，待分离混合物进入色谱柱，同时提余物被洗脱出来。在洗脱段，洗脱剂被加入色谱柱，提取物被洗脱出来。在循环段，物料和洗脱剂不进入色谱柱，同时也没有产品被提取，仅作内循环。

CN203139686U、CN101940850B和CN203220780对程序式模拟移动床色谱分离装置都有描述。

CN203139686U仅能解决快组份和慢组份的二组份分离；CN203220780提供一种变频变压的程序式模拟移动床色谱分离装置控制方法。与CN203139686U、CN101940850B相类似的分离方法、处理过程和控制技术，国外从2005年即开始应用于工业生产，国内工厂从2010年开始，也大量应用于葡萄糖/果糖分离、葡萄糖/甘露糖分离、阿拉伯糖/木糖分离等糖醇、食品和制药产品上。

CN101940850B除了解决二组份的分离外，还提供了便于现场从四柱、六柱、八柱之间的切换。但是这种切换在现实使用中并不实用且有较大缺陷，因为阀门切换后，管道内残留的料液会变质、切换后管道和阀门多余的部分会增加无效体积，影响分离效果等。

EP2742982A1提供一种高效率的模拟移动床色谱分离的方法，使用15~100µm小颗粒的吸附剂以提高吸附性能。使用小颗粒的吸附剂后，色谱柱内压力降增加后，通过缩短色谱柱的长度来降低压力降。这种方法对于实验室用的小型装置较实用，并不适于大规模的工业生产。

US7229558B2提供一种程序式色谱分离方法，该方法的几个实施例中，均有大量的循环组份Recycle产生，实施例描述中对循环组份Recycle的处理，是将其用于溶解进料原料。但一般生产上，不管是结晶母液如糖蜜、醇结晶母液等，还是酸解、酶解等化学或生物转化来的糖液，起始浓度都不高，进入色谱分离装置前还需要浓缩。所以该方法的循环组份Recycle须收集、处理、浓缩后才能与进料原料混合，增加了工序，增加了能耗。

发明内容

针对现有连续式和程序式模拟移动床色谱分离装置不能很好地分离多组份混合物的不足，本发明提供了分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置，并且在分离过程中，将部分内循环的洗脱液直接返回利用，降低了洗脱剂的用量。

本发明的分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置，以4个色谱柱为例说明，但不限于4个色谱柱，可为6个，8个，12个。

装置由4个色谱柱串联组成一组，每个色谱柱之间有助力泵、隔断阀和连接管道。此外还有进料系统、进洗脱剂系统、出料贮槽、压力测量、流量测量等常规辅助设施。

每个色谱柱的长度和直径相同。

每个色谱柱进口连接有洗脱剂阀VW1~VW4，洗脱剂阀连接至洗脱剂总管，当开启洗脱剂阀时，色谱柱输入洗脱剂。

每个色谱柱进口连接有料阀VF1~VF4，料阀连接至料总管，当开启料阀时，色谱柱输入原料液。

洗脱剂总管和料总管由进洗脱剂系统和进料系统控制，一直保持洗脱剂总管和料总管有一定压力和流量，随时可向色谱柱内输入洗脱剂或原料。

每个色谱柱进口还连接有循环液阀VR1~VR4，循环液阀连接至循环管支路，当循环液总阀VR开启时，料液流入循环管支路，经循环液阀VR1~VR4中的一个，流入色谱柱，此循环液代替部分洗脱剂。

每个色谱柱出口连接有提取液阀VM1~VM4，提取液阀连接至出提取液总管，提取液总管上装有流量仪表、流量调节阀，用于检测、调节流量；提取液总管分为2个支路：B支路经VB阀后与B液槽连接，C支路经VC阀后与C液槽连接。

每个色谱柱出口连接有提余液阀VN1~VN4，提余液阀连接至提余液总管；提余液总管上装有流量仪表、流量调节阀，用于检测、调节流量；提余液总管分成3个支路：循环液总阀VR与循环管支路组成一个支路，循环管支路和各个色谱柱的循环液阀VRn连接； D支路经VD阀后与D液槽连接；E支路经VE阀后与E液槽连接。

为了明晰，在此对以下几个名称作说明：

循环液：进料段流出来的、返回用于代替部分洗脱剂的料液；

内循环液：装置不进料、不进洗脱剂、不出料时内循环的料液；

B液：洗脱段流出来的，经出提取液总管、VB阀，进入B液槽的料液；

C液：洗脱段流出来的，经出提取液总管、VC阀，进入C液槽的料液；

D液：进料段流出来的，经提余液总管、VD阀，进入D液槽的料液；

E液：进料段流出来的，经提余液总管、VE阀，进入E液槽的料液；

大周期：装置运行步骤1~步骤6为一个周期，共运行四个周期，为一个大周期。

当B液阀VB开启时，料液经B支路，流入B液槽。

当C液阀VC开启时，料液经C支路，流入C液槽。

当D液阀VD开启时，料液经D支路，流入D液槽。

当E液阀VE开启时，料液经E支路，流入E液槽。

提取液总管上装有流量仪表、流量调节阀，用于检测、调节流出的提取液的流量大小；提余液总管上装有流量仪表、流量调节阀，用于检测、调节流出的提余液的流量大小。

为了降低洗脱剂用量，循环液被直接用来作为洗脱剂。每个色谱柱进口除连接有洗脱剂阀VW1~VW4和料阀VF1~VF4外，还连接循环液阀VR1~VR4，当循环液总阀VR打开时，开启某一个色谱柱进口的循环液阀，即可用循环液洗脱提取液。将这部分循环液返回利用，取代部分洗脱剂，可减少洗脱剂的用量。这部分的循环液的量是精确计量的，以使其成分与洗脱剂接近，而不会将紧随其后的提余液带入洗脱段。

本发明的装置由计算机控制，自动运行。装置运行至少包含三个过程：进料、洗脱、内循环。完成这三个过程称为一个周期。一个周期的三个过程又由6个步骤组成。

将4个色谱柱分为Z1区、Z2区、Z3区、Z4区。

Z1区为洗脱段，洗脱剂从Z1区上部进入色谱柱内，从Z1区下部出提取液。提取液依次为B液和C液。B液和C液经各自的分支路B支路和C支路流入B液槽和C液槽。

Z2区为混合段。

Z3区为进料段，待分离混合物从该段上部进入色谱柱内，从Z4区下部出循环液。循环液返回Z1区作洗脱剂用。

Z4区为分隔段。

从Z4区下部流出一定量的循环液后，转为从Z3区下部出提余液，依次为D液和E液。D液和E液经各自的分支路路D支路和E支路流入D液槽和E液槽。

此时，进料段和洗脱段是断开的，进料和洗脱同时进行。

装置运行3~5个大周期后，即达到平衡状态。平衡状态下，各个周期重复运行，各个色谱柱内流出的B液、C液、D液、E液、循环液的体积量、纯度、质量百分比浓度是稳定的。任一时间段内，输入和流出色谱柱的物料体积量相等。

色谱柱之间的隔断阀开启，将Z1~Z4区串联起来，组成内循环。内循环时进料和进洗脱剂均停止，也没有物料从柱内流出，系统作内循环。内循环时，B、C、D、E这四种物质由于它们在吸附树脂中具有不同的迁移速度，在色谱柱内经吸附树脂的吸附、解吸作用，逐渐被分开。

洗脱剂包括：水，甲醇的水溶液，乙醇的水溶液，稀酸等。洗脱剂应能够与进料混合物溶解，且便于后续处理。因为大多数糖易溶于水，且水在后处理中较便利，所以水是糖类分离中常用的洗脱剂。

根据所要分离的混合物的性质来选择吸附介质。吸附介质可为阳离子吸附树脂或阴离子吸附树脂或阳离子分子筛。吸附树脂可选择弱酸性的，也可以选择强酸性的。

根据所要分离的混合物的性质和吸附剂对混合物的吸附特点选择分离温度。如混合物是热敏性物质，则分离温度宜低，反之分离温度可选择高一些。但分离温度过高，对吸附树脂的寿命会有影响。分离温度在20~90℃为宜。

系统内的压力是由助力泵、进料、进水泵产生的。系统内压力可为0.1~1MPa。

物料在系统内的线速度对吸附和解脱是有影响的。系统内物料的线速度为1~5m/h。

本发明可用于以下物质但不仅限于以下物质的分离：造纸的亚硫酸法蒸煮液，各种含单糖、双糖和多糖的糖蜜，果葡糖浆，葡萄甘露糖多糖液，转化糖混合物，麦芽糖浆，麦芽糖醇液，甘露醇山梨醇混合液，糖醇生产结晶母液，有机酸，植物提取液等。

本发明中的进料混合物不限于包含四种物质，可为四种或四种以上物质组成的混合物。本发明描述的进料混合液中含B、C、D、E四种物质。所用的吸附剂对这四种物质的吸附力由强至弱依次为：C、B、 E、D。

分离产物B液的体积量、C液的体积量、D液的体积量、E液的体积量，循环液的体积量，是经由流量仪表测量、累积后所得，并用其体积量控制相应的VMn、VNn、VC、VD、VE、VR开启和关闭。同时，这些体积量也是控制相应的进料量、进水量或循环液返回量的依据。系统内循环的量也是经由流量仪表测量、累积后所得，这个量用于控制系统的内循环体积量。进入某个色谱柱的量与出该色谱柱的量相同，故仅检测和控制出料量即可。

含多种混合物的料液，在装置中能否很好地被分离，关健在于：合适的色谱柱长度、柱内合理的物料分布、合适的吸附剂、合适的吸附剂颗粒大小、料液在柱内合适的线速度等。精确的计量和控制也起很重要的作用。

本发明提供一种分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置，混合物中含有4种或4种以上的物质，选择合适的吸附剂和分离条件，将不同的物质分离提纯。同时本发明利用循环液代替部分洗脱剂，可节省洗脱剂的用量。

附图说明

图1为分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置装配图。

图2为周期一的步骤一~步骤三。色谱柱内黑体表明有物料流过。

图3为周期一的步骤四~步骤六。色谱柱内黑体表明有物料流过。

附图中各部件如下：色谱柱1，助力泵2，连接管3，流量检测仪表4、流量调节阀5，隔断阀6，洗脱剂总管11，料总管12，料阀VF1~VF4，洗脱剂阀VW1~VW4，循环液阀VR1~VR4，提取液阀VM1~VM4，提余液阀VN1~VN4，出提取液总管31，提余液总管32，循环液总阀VR，循环管支路311；C液阀VC，C支路312；D液阀VD，D支路313；E液阀VE，E支路314；B支路315；B液槽，C液槽，D液槽，E液槽。

具体实施方式

实施例一

下面结合附图对本发明的装置作进一步详细说明。

图2为一个周期的六个步骤，称为周期一。

周期一的各步骤中，1号色谱柱为Z1区，2号色谱柱为Z2区，3号色谱柱为Z3区，4号色谱柱为Z4区。

步骤1：Z1进洗脱剂（开启VW1阀），Z1出料（开启VM1阀，VB阀），将B液经出提取液总管31、B支路315排入B液槽；Z3进料（开启VF3阀），Z4出料（开启VN4阀，VE阀）将上一个周期管道内留存的少量料液排入E液槽。这个过程所用时间很短，1~3秒即可将一个周期管道内留存的少量料液排完，接着运行步骤2。

步骤2：Z3进料（开启VF3阀），Z4出料（开启VN4阀，VR阀）将循环液经循环管支路311、VR1，输入Z1；Z1出料（开启VM1阀，VB阀），将B液经出提取液总管31、B支路315排入B液槽。

步骤3：Z3进料（开启VF3阀），Z3出料（开启VN3阀、VD阀）将D液经提余液总管32、VD阀、D支路312，排入D液槽；Z1进水（开启VW1阀），Z1出料（开启VM1阀，VB阀），将B液经出提取液总管31、VB阀、B支路315排入B液槽。

步骤4：Z3进料（开启VF3阀），Z3出料（开启VN3阀、VD阀）将D液经提余液料总管31、VD阀、D支路313、排入D液槽；Z1进洗脱剂（开启VW1阀），Z1出料（开启VM1阀，VC阀），将C液经出提取液总管31、VC阀、C支路312排入C液槽。

运行步骤3和步骤4时，遵守先到先等的原则。即步骤3时，如果B液量先达到设定值，则Z1区停止等待，直至D液量达到设定值，再运行步骤4；如果D液量先达到设定值，则Z3区停止等待，直至B液量到达设定值后，再运行步骤4。

另一种情况是，D液量达到设定值前，进料量F已达到设定值，此时Z3停止等待，直至步骤4中C液量达到设定值后，运行步骤4-1。

步骤4-1： Z1进洗脱剂（开启VM1阀，VC阀），将C液经出提取液总管31、VC阀、C支路312排入C液槽。

步骤5：Z1进洗脱剂（开启VW1阀），Z3出料（开启VN3阀、VE阀），将E液经提余液总管32、VE阀、E支路314排入E液槽。

步骤6：物料没有进出系统，进行内循环。

周期一完成后，运行周期二。周期二是Z1、Z2、Z3、Z4四个区均向下一个色谱柱前进一步，步骤1~步骤6的运行过程与周期一相同，但都往前一个色谱柱前进了一步。依次运行周期三和周期四。

周期四运行完成后，返回周期一，循环进行。周期一~周期四组成一个大周期。运行3~5个大周期后，系统即达到平衡状态。

经模拟移动床色谱分离后，得到4种分离产物：B液，C液，D液和E液。系统达到平衡后，这4种组份有一个相对稳定的体积量、重量百分比浓度、纯度，按常规方法可检测出来。按B液，C液，D液和E液的量，控制VB、VC、VD、VE阀门的开启和关闭，B液，C液，D液和E液即可流入相应的贮罐。

作为本发明的进一步改进，可将提余液进一步细分。此时，提取液为：B液、C液，提余液为D液、E液、F液。

实施例二

以下实施例用一个中试规模的模拟移动床色谱分离装置来对本发明的装置作进一步的描述。

装置由4个色谱柱组成，每个色谱柱之间通过助力泵和管道连接，每个色谱柱连接有进出料阀门；同时还有进料系统、进水系统、流量压力检测调节系统和出料系统。装置的装配图如图1所示。

每个色谱柱长度为3m，内径为0.072m。每个色谱柱内装满吸附树脂。树脂为强酸性阳离子交换树脂，钠型，体积全交换容量≥1.8 mol/ml。树脂为均粒球体，直径0.32mm。选用纯水作为洗脱剂。

原料为糖蜜，来自大豆加工的副产物，含有低聚糖（棉子糖+水苏糖）、葡萄糖、果糖、蔗糖等多组份。

原料的质量百分比浓度为60.1%。分离温度在60~65℃。糖蜜原料成分如表1所示。

表1 糖蜜原料成分表

周期一运行如下步骤：

步骤1：0.02L糖蜜原料输入Z3，0.02L出料液排入E液槽；0.02L水输入Z1，0.02L的 B液排入B液槽。

步骤2：0.3L糖蜜原料输入Z3，0.3L的循环液输入Z1；0.3L的 B液排入B液槽。

步骤3: 0.48L糖蜜原料输入Z3，0.48L的料液排入D液槽；0.6L水输入Z1，0.6L的 B液排入B液槽。

步骤4：0.4L糖蜜原料输入Z3，0.48L的料液排入D液槽；0.58L水输入Z1，0.58L的料液排入C液槽。

步骤5：1.4L水输入Z1，1.4L的料液排入E液槽。

步骤6中，物料没有进出系统，进行内循环。内循环的量为3.6L。

周期二~周期四的各自6个步骤与周期1相同。周期四完成后，转回重复周期一。

周期一~周期四构成一个大周期。

运行3~5个大周期后，系统即达到平衡状态。系统平衡后，取分离所得各组份，用高效液相色谱议（HPLC）检测，低聚糖（棉子糖+水苏糖）组份、葡萄糖组份、果糖组份、蔗糖组份的浓度、纯度和收率如表2、表3所示。

对于所叙述的分离产物B液，C液，D液和E液，其对应关系为：D液低聚糖（棉子糖+水苏糖）、B液葡萄糖、C液果糖、E液蔗糖。

表2 分离产物的浓度和收率

表3 分离产物的纯度

经分离后，低聚糖组份中低聚糖（棉子糖+水苏糖）纯度90.16%DS，产品可供糖尿病人食用；葡萄糖组份中葡萄糖纯度82.6%DS，可用于生产结晶葡萄糖产品；果糖组份中果糖纯度88.1%DS，可与F42果葡糖浆复配，生产F55果糖浆产品；蔗糖组份中蔗糖纯度79.77%DS，可用于生产结晶蔗糖产品。

本发明的实施例并不是对本发明的限制。本领域熟练技术人员可按本发明的方法实施多种方式的改变形式。

Claims (5)

1.分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置，是由单个色谱柱连接组成一组，每个色谱柱之间有助力泵、隔断阀和连接管道，每个色谱柱均连接有料阀、洗脱剂阀、循环液阀、提取液阀、提余液阀，还有出料贮罐，其特征在于：

(1) 所述装置由多个色谱柱组成一组，每个色谱柱进口连接有洗脱剂阀VW1~VWn、料阀VF1~VFn、循环液阀VR1~VRn；所述洗脱剂阀和料阀分别与洗脱剂总管(11)和料总管(12)连接；所述循环液阀VR1~VRn与循环管支路(311)连接；n=色谱柱数量；

(2) 所述装置每个色谱柱出口连接有提取液阀VM1~VMn和提余液阀VN1~VNn；所述提取液阀与出提取液总管(31)连接；所述提余液阀VN1~VNn与提余液总管(32)连接；

(3)所述出提取液总管(31)上装有流量仪表、流量调节阀，用于检测、调节流量；提取液总管(31)分为2个支路：B支路(315)经VB阀后与B液槽连接，C支路(312)经VC阀后与C液槽连接；

(4)所述提余液总管(32)上装有流量仪表、流量调节阀，用于检测、调节流量；提余液总管(32)分成3个支路：循环液总阀VR与循环管支路(311)组成一个支路，所述循环管(311)和各个色谱柱的循环液阀VRn连接； D支路(313)经VD阀后与D液槽连接；E支路(314)经VE阀后与E液槽连接；

(5)所述装置运行过程至少包含三个步骤：进料、洗脱、内循环；

(6)所述循环液经循环液总阀VR后，从循环管支路(311)返回，用于直接替代部分洗脱剂。

2.根据权利要求1所述的分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置，其特征在于，所述的装置由4~12个色谱柱串联组成，优选为4~8个，最优为4~6个。

3.根据权利要求1所述的分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置，其特征在于，分离产物的体积量、循环液的体积量、内循环液的体积量，是经由流量计测量、累积后所得，并用于控制相应的阀门开启和关闭，控制物料的进出，控制内循环的开始和停止。

4.根据权利要求1所述的分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置，其特征在于，所述色谱柱内装满吸附介质，所述吸附树脂为强酸性阳离子吸附树脂，或弱碱性阴离子吸附树脂，或丙稀酸阴离子吸附树脂，或阳离子分子筛。

5.根据权利要求1所述的分离多组份混合物的模拟移动床色谱分离装置，其特征在于，所述洗脱剂为纯水、甲醇水溶液、乙醇水溶液、有机酸溶液、无机酸溶液。