CN112843788A

CN112843788A - 一种采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置及其分离方法

Info

Publication number: CN112843788A
Application number: CN202110069116.0A
Authority: CN
Inventors: 徐进; 余卫芳; 张文静; 陈文炜
Original assignee: Institute of New Materials and Industrial Technology of Wenzhou University
Current assignee: Institute of New Materials and Industrial Technology of Wenzhou University
Priority date: 2021-01-19
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2041-01-19
Also published as: CN112843788B

Abstract

本发明公开了一种采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置及其分离方法，其技术方案要点是：包括色谱柱、加热器、高压流量泵、连接管路以及若干阀门、进料罐、缓冲罐，分离方法上，将较低温度的原料连续地通过进料口引入系统，将较高温度的洗脱剂连续地引入洗脱口；在萃取口和萃余口分别收集纯化的强吸附组分和重吸附组分，沿着流动相流动方向切换物料进出口位置，实现流动相与固定相的反方向运动，特别是在洗脱区和洗脱口相连的、具有较高温度的色谱柱被切换后不直接进入传统的IV区或III区，而是先在环外由低温的流动相进行置换，在下一个切换才进入IV区和III区，置换出的流动相经加热器升温后进入高温洗脱剂缓冲罐。

Description

一种采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置及其分离方法

技术领域

本发明涉及生物和化工领域领域，尤其涉及一种采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置及其分离方法。

背景技术

SMB技术最早由Universal Oil Product提出，并被用于从C8芳香烃混合物中纯化对二甲苯，即PX(US Patent 2 985 589，1961)，另一个商业化的大规模应用则是果糖和葡萄糖的分离。得益于近年来新型固定相材料的发展，SMB的应用被拓展到精细化学品、手性对映体和生物产品的分离和纯化。SMB作为一种分离装置和方法是公知的(林炳昌，模拟移动床色谱技术，化学工业出版社，2008；Traub H S,Preparative Chromatography,Weinheim,Germany,2005；Nicoud R M,Chromatographic processes:modeling,simulation and design,Cambridge University Press,United Kingdom,2015)。SMB设备由若干串联的色谱柱组成。一个典型的双组分拆分SMB装置有两个物料出口，即萃取口和萃余口，分别用于收集强吸附组分和弱吸附组分；两个物料进口，分别是待分离原料和洗脱剂。这些进出料口将色谱柱分为三或四个区，习惯上称为I区到IV区。这些区各自具有不同的功能：I区位于洗脱口和萃取口之间，IV区位于萃取口和进料口之间，分别回收固定相和流动相；III区位于进料口和萃余口之间，主要是保留强吸附组分，从而与弱吸附组分分离；II区位于萃取口和进料口之间，负责把残留的弱吸附组分洗脱，重新进入III区。其中IV区是可选的。所有色谱柱由管路串联，与进出料口共同构成环路，按照IV区是否直接与洗脱口连接，分为闭环和开环。环路的特征在于，其中任一色谱柱的进口或出口中的至少一个与相邻色谱柱连通。

传统上，SMB为恒温、恒组成操作，也就是所有操作区具有相同的吸附强度。但是，根据如前所述不同操作区的功能，低吸附强度更有利于I区和II区，而高吸附强度更有利于III区和IV区。因此，可以通过引入一个吸附强度的梯度来提升SMB在设备产量和溶剂消耗等方面的性能。相对于溶剂梯度，能量驱动的温度梯度可以简化下游溶剂分离纯化步骤。

在SMB上实现温度梯度，可采用直接和间接两种模式(Adsorption,2005,11(1)579–584；Industrial&Engineering Chemistry Research,2007,46(22)7208–7220；AIChEJournal,1993(3)471-492)。直接模式使用夹套来改变柱温，但受限于有限的径向传热效率，无法用于大规模生产。一种间接模式采用柱间换热器来调节每根柱子的进料温度。然而，这种模式不但比较复杂，无法在现有设备上进行改造升级，而且换热器中额外死体积所带来的的混合过程也会降低分离效果。另一种间接模式则通过调控进料液和洗脱剂的温度建立温度梯度(中国发明专利，201110432680.0)，也被称为内部温度梯度SMB(ITG-SMB)。研究表明(Journal of Chromatography A,2018,1513,131-142)，虽然ITG-SMB可以有效提高设备产率，但高温的I区色谱柱切换后进入IV区，无法充分发挥IV区的溶剂回收功能，导致溶剂消耗增加。如果高温区进一步切换入III区，还会降低III区的重吸附组分保留功能，不利于提高设备产率。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可以在确保目标产物纯度的同时大幅度提高设备通量，或在一定设备通量前提下，在确保目标产物纯度的同时大幅度降低溶剂消耗的一种采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置及其分离方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

这种采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置，包括N根(至少4根)装有选择性吸附填料的色谱柱，其中1根不属于常规的模拟移动床操作区，而是采用独立的环外洗脱剂置换操作；

每相邻两色谱柱之间分布7个阀门，其中：3个为进口，分别连接进料罐(F)、高温洗脱剂缓冲罐(DH)和低温洗脱剂储罐(DL)；3个为出口，分别连接萃取口(E)、萃余口(R)和加热器(HE)；还有一个连通相邻两个色谱柱(C)；

5个流量泵，分别控制F、DH、DL、E和R的流量，通往加热器HE的流量自动与DL匹配；

连接色谱柱和进出口的管路及阀门。

该装置色谱柱中的吸附剂填装，存在现有技术中已知的各种技术；阀门控制的管路切换、泵的流量控制、高温低温缓冲罐的保温以及进料的温度调节，采用自动控制，均存在现有技术中已知的各种技术。虽然常规SMB仅用到4个流量泵，相邻色谱柱之间仅有5个(闭环)或6个(开环)阀门，但在现有技术基础上实现对增加的流量泵和阀门的控制是容易的。

该装置主要特征在于：与常规SMB和ITG-SMB相比，增添了低温溶剂缓冲罐、加热器和与之匹配的流量泵和阀门。

该装置的特征还在于：可以根据主要生产目标，通过控制阀门，改变操作区的数量和各操作区内色谱柱数的分布，完成不同的生产任务。

根据第二方面，即提供一种基于以上设备的温度梯度SMB双组份分离的方法，以下对该方法的描述中，Nj为j区的色谱柱数，j可以为I、II、III、IV和*，其中NIV可以大于0或者等于0，N*固定为1；C_j,k为沿着流动相流动方向j区的第k根色谱柱。

附图1为NIV大于0的设备示意图，附图2为NIV等于0的设备示意图。

在该方法中：

将含有待分离组分的原料液连续通入C_III,1色谱柱的入口；

将高温解吸剂连续通入C_I,1色谱柱的入口；

色谱柱出口物料，部分由萃取口作为重组分产品按照固定流量回收，部分进入C_II,1色谱柱；

当选用IV区，即NIV>0时，

色谱柱出口物料，部分由萃余口作为轻组分产品按照固定流量回收，另部分进入C_IV,1色谱柱；

当不选用IV区，即NIV＝0时，

色谱柱出口物料，全部由萃余口作为轻组分产品按照固定流量回收；

将低温解吸剂连续地通入C_*色谱柱进口，该色谱柱出口通向加热器；

除上述与进出料口相连的色谱柱，其余色谱柱依次由管路首尾串联；

加热器预热后的解吸剂按照固定流量进入高温洗脱剂缓冲罐；

在设定的切换时间，将所有进出料口，包括高温洗脱剂入口、萃取口、进料口、萃余口、低温解吸剂入口、加热器出口，同步沿着流动相流动方向向前切换一个色谱柱，各进出料口保持原有操作，同时通过控制阀门，使得：

切换前的C_I,1变成切换后的C_*；切换前的C_II,1变成

切换前的C_III,1变成

如果选用IV区，切换前的C_IV,1变成

切换前的C_*变成

如果不选用IV区，切换前的C_*变成

其余色谱柱，切换前的C_j,k变成C_j,k-1。

该方法的特征在于，具有环外独立的*操作区，该区唯一的色谱柱切换前为

已经完成充分洗脱，不含有待分离组分。切换后，该温度较高的色谱柱不是直接进入IV区(当选用IV区时)或者III区(当不选用IV区时)，而是先在*区内由低温洗脱剂进行置换，再经过一次切换猜进入低温更为有利的IV区或者III区。

采用上述装置和方法，可以在优化的条件下，使III区和IV区在低温下操作，促进发挥III区和IV区的功能，在确保产品纯度的前提下提高设备产量，或在确保产品纯度和设备产率的前提下降低溶剂消耗。

本发明的有益效果：

提供一种具有流动相独立环外置换的温度梯度SMB装置，可以更有针对性地根据设计目标优化SMB各区操作温度，在此装置基础上，提供一种温度梯度SMB双组份分离的高效方法，使用该装置和方法，可以在确保目标产物纯度的同时大幅度提高设备通量，或在一定设备通量前提下，在确保目标产物纯度的同时大幅度降低溶剂消耗。

附图说明

图1为包含IV区的装置示意图(箭头为流动相流动和进出料口切换的方向)；

图2为不包含IV区的装置示意图(箭头为流动相流动和进出料口切换的方向)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是点连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下实施例有助于更好地理解本发明，不应被认为是本发明的限制。为避免实施例中具体的设备尺寸参数和操作参数被误解为对本发明的限制，以下实施例中采用无量纲的物理化学性质、操作参数和SMB效能评价指标。其中：

物理化学性质

H为轻组分无量纲吸附常数；

S为吸附选择性，大于1；

ΔH为无量纲吸附焓，吸附焓单位J/mol，温度单位K；

操作参数

Qj为j区无量纲流量，最大体积流量受限于柱压，过高的柱压会导致固定相结构损坏或待分离组分结构在高剪切力下被破坏；

ts为无量纲切换时间；

TH为无量纲高温洗脱剂温度，定义为1，实际高温洗脱剂温度受限于待分离组分和固定相的热稳定性，实际低温洗脱剂温度取决于不同的分离体系，例如当分离对二甲苯和其他C8组分时，该温度约160oC，当手性拆分时，该温度为10-20oC；

TL为无量纲高温洗脱剂温度，定义为0；

SMB双组份拆分的效能指标

PUR为目标产物纯度，如果目标产物为重吸附组分，则产品溶液从萃取口收集，如果目标产物为轻吸附组分，则产品溶液从萃余口收集；

UT为无量纲的SMB设备产率；

SC为无量纲的溶剂消耗量。

实施例1：

考虑某双组份体系，其物性参数为：H＝12，S＝1.6，ΔHA＝-57，ΔHB＝-96，重吸附组分为目标产物。

装置上采用8根色谱柱配置，N＝8，各区色谱柱配置为，NI＝2，NII＝2，NIII＝2，NIV＝1，N*＝1(装置示意图见附图1)；方法上采用Ts＝11.7，QI＝0.94，QII＝0.68，QIII＝1，QIV＝0.57，Q*＝0.2。在萃取口获得目标产物，纯度为PUR＝0.98，设备产率为UT＝0.42，溶剂消耗为SC＝0.37。作为对比，采用同样温差的内部梯度(ITG-SMB)操作模式，在相同的目标产物纯度要求下，UT＝0.36，SC＝0.48。对比显示，采用本发明公布的设备和方法分离对该双组份体系进行分离，在满足目标产物纯度的要求下，可以在提高设备产率17％的同时，降低溶剂消耗23％。

实施例2：

考虑某双组份体系，其物性参数为：H＝8.2，S＝1.2，ΔHA＝-65，ΔHB＝-87，重吸附组分为目标产物。

装置上采用4根色谱柱配置，N＝4，各区色谱柱配置为，NI＝1，NII＝1，NIII＝1，NIV＝0，N*＝1(装置示意图见附图2)；方法上采用Ts＝6.5，QI＝0.89，QII＝0.46，QIII＝1，Q*＝0.22。在萃取口获得目标产物，纯度为PUR＝0.98，设备产率为UT＝0.56，溶剂消耗为SC＝1。作为对比，采用同样温差的内部梯度(ITG-SMB)操作模式，在相同的目标产物纯度要求下，UT＝0.37，SC＝0.52。对比显示，采用本发明公布的设备和方法进行该双组份体系的分离，可以以提高溶剂消耗92％为代价，将设备产率提高51％。

实施例3：

考虑某双组份体系，其物性参数为：H＝6.2，S＝1.5，ΔHA＝-59，ΔHB＝-84，轻吸附组分为目标产物。

装置上采用5根色谱柱配置，N＝5，各区色谱柱配置为，NI＝1，NII＝1，NIII＝1，NIV＝5，N*＝1(装置示意图见附图1)；方法上采用Ts＝5.5，QI＝1，QII＝0.71，QIII＝0.99，QIV＝0.72，Q*＝0.23。在萃取口获得目标产物，纯度为PUR＝0.99，设备产率为UT＝0.28，溶剂消耗为SC＝0.28。作为对比，采用同样温差的内部梯度(ITG-SMB)操作模式，在相同的目标产物纯度要求下，UT＝0.28，SC＝0.59。对比显示，采用本发明公布的设备和方法分离该体系，可以在保障设备产率的前提下，降低溶剂消耗53％。

以上实施例说明，采用本发明公布的设备和方法，可以在保障产品纯度的前提下，可以有效在提高设备处理量的同时降低溶剂消耗，或在保持设备处理量的同时降低溶剂消耗，也可以牺牲部分溶剂消耗为代价大幅度提高设备处理量。

Claims

1.一种原料在采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置，其特征在于：包括若干根色谱柱，所述若干根色谱柱中的其中1根采用独立的环外洗脱剂置换操作，所述另外色谱柱位于模拟移动床操作区，所述每相邻两色谱柱之间分布7个阀门，所述7个阀门中其中3个阀门为进口，分别连接进料罐(F)、高温洗脱剂缓冲罐(DH)和低温洗脱剂储罐(DL)，还有3个阀门为出口，分别连接萃取口(E)、萃余口(R)和加热器(HE)，另外一个阀门连通相邻两个色谱柱(C)，且增设5个流量泵，分别控制F、DH、DL、E和R的流量，通往加热器HE的流量自动与DL匹配，连接色谱柱和进出口的管路及阀门；

物料进出口将N个色谱柱分成若干操作区，其中包括：

用于解吸强吸附组分的I区，介于高温解吸剂入口(DH)与萃取物出口(E)之间；

用于富集强吸附组分的II区，介于萃取物出口(E)与进料口(F)之间；

用于富集弱吸附组分的III区，介于进料口(F)与萃余物出口(R)之间；

用于富集弱吸附组分的IV区，介于与萃余物出口(R)与高温解吸剂入口(F)之间；

用于低温溶剂替代的*区，为萃余口(R)与高温解吸剂入口(DH)之间最靠近DH的一个色谱柱，与传统模拟移动床操作模式不同，该色谱柱不在由洗脱剂口、萃取口、进料口、萃余口以及串联的色谱柱所构成的闭环或开环之内，而是在环外操作，进口分别连接低温洗脱剂(DL)和换热器(HE)。

2.根据权利要求1所述的一种原料在采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置，其特征在于：所述色谱柱填充选择性吸附剂，色谱柱及其中的填料可更换为改性树脂或改性硅胶或活性炭或分子筛或涂覆型或键合型具有手性选择性的硅胶，色谱柱数量大于或等于4根，所有物料进出口沿流动相方向同步切换。

3.根据权利要求1所述的一种原料在采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置，其特征在于：所述加热器采用管壳式换热器单独进行或经电加热方式与高温洗脱剂缓冲罐的保温方法整合。

4.根据权利要求1所述的一种原料在采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置，其特征在于：所述高温洗脱剂缓冲罐和低温洗脱剂缓冲罐中储存有相同组成的洗脱剂，通过自动控制被分别保持在较高和较低的温度，自动控制高温主要由受待分离组分的热稳定性、流动相的沸点和固定相的稳定性控制，其中涂覆型固定相的温度为40-45oC，负载型固定相的温度为60-70oC，自动控制低温主要受粘度和固定相所能承受的柱压限制，温度为10-20oC。

5.根据权利要求1所述的一种原料在采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置，其特征在于：所述流量泵为蠕动泵或柱塞泵，所述阀门为旋转阀或气动阀。

6.根据权利要求1所述的一种原料在采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置，其特征在于：所述IV区色谱柱数可以为0，所述I区、II区、III区和*区的色谱柱数皆至少或等于1。

7.根据权利要求4所述的一种原料在采用流动相独立环外置换的温度梯度模拟移动床装置，其特征在于：所述洗脱剂由水、乙腈、丙酮、丁酮、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、乙酸乙酯、乙酸甲酯、石油醚、乙醚、异丙醚、二异丙醚、乙基丁基醚、正己烷、正庚烷、正辛烷、乙酸、三氟乙酸中的至少一种组成。

8.一种根据权利要求1所述温度梯度模拟移动床装置上的分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，将原料(F)和缓冲罐中的高温解吸剂(DH)连续地通入相应色谱柱进口；

其次，在萃取口(E)和萃余口(R)分别持续地收集纯化的强吸附组分和若吸附组分，并通往各自缓冲储罐；

最后，将低温解吸剂(DL)连续地通入指定色谱柱入口，该色谱柱出口连接换热器。

9.根据权利要求8所述的一种温度梯度模拟移动床装置上的分离方法，其特征在于：所述的待分离原料为对二甲苯或其他C8芳族异构体或天然产物或手性对映体。

10.根据权利要求8所述的一种温度梯度模拟移动床装置上的分离方法，其特征在于：原料和高温洗脱剂均保持连续进料，流量、组成和温度都不随时间变化，萃取口和萃余口均保持固定、持续的流量，流量不随时间变化，待分离组分浓度和温度会呈周期性变化，*区入口保持连续的低温洗脱剂进料，流量、组成和温度都不随时间变化。