CN113209670B - 顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化系统及工艺：分离纯化系统包括顺序式模拟移动床、第一结晶装置、第二结晶装置和水浴控温装置；顺序式模拟移动床的提取液出口端与第一结晶装置的进液口流体导通，顺序式模拟移动床的提余液出口端与第二结晶装置的进液口流体导通；第一结晶装置和第二结晶装置的结晶母液回收部均与顺序式模拟移动床的进料液入口端流体导通；水浴控温装置分别控制第一结晶装置和第二结晶装置的结晶温度。分离纯化工艺为采用上述分离纯化系统对低聚木糖纯化的工艺。本发明将顺序模拟移动床与结晶过程耦合，降低了对顺序式模拟移动床分离纯度的要求，避免进行大量的实验来摸索操作条件，节约了人力、物力。

Description

顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化系统及 工艺

技术领域

本发明涉及低聚木糖分离纯化技术领域。具体地说是顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化系统及工艺。

背景技术

低聚木糖(XOS)又称木寡糖，具有优异的耐酸性和热稳定性，有低热量、低致龋性、不易消化等特点。它的能量值几乎为零，既不影响血糖浓度，也不增加血糖中胰岛素水平，并且不会形成脂肪沉淀，是一种非常理想的代糖，因此在功能性食品的生产中有着广泛的应用前景。低聚木糖是由2-7个木糖分子以β-1,4糖苷键结合而成的功能性聚合糖，是一种组成复杂的混合物。低聚木糖的主要生产原料有硬木、玉米芯、麦秆、麸皮等，生产手段主要有酶法和水解法，所得产品中一般含有低聚木糖、木糖、阿拉伯糖以及少量的葡萄糖，导致低聚木糖的纯度较低。这就需要我们对其粗产品进行进一步的纯化，得到较高纯度的低聚木糖，才可以添加应用到食品中。低聚木糖粗产品中各种物质分离度较小(性质都非常接近)，而且低聚木糖的结构非常复杂(包含木二糖到木七糖)，所以用传统的一些手段(活性炭法、膜分离、结晶过程)很难分离得到纯度在95％以上的低聚木糖，因此，需要开发出一种高效的、低溶剂消耗的、易于工业放大的低聚木糖的分离提纯工艺。

模拟移动床作为一项重要的连续性色谱分离技术，已经成功地应用于对二甲苯的提取、玉米湿磨、果糖/葡萄糖分离等工业领域。目前，它的应用已扩展到精细、复杂化学药品的分离，如手性药物和一些生物成分(氨基酸、多肽)的分离。近些年发展起来的顺序式模拟移动床技术将传统模拟移动床过程的一个切换分成了若干个步骤，大大地降低了溶剂消耗，增加了操作上的灵活性，非常适用于溶剂比较昂贵的难分离体系和一些复杂生物产品的大规模工业提纯。

顺序式模拟移动床在保留了传统模拟移动床优点的同时，采用了间歇进料、间歇出料的模式，完全解决了系统内物料的反混问题；将传统模拟移动床的一次切换分解为2-4个子步骤，实现了更精确的控制，使各组分都在最佳条件下分离；且由于间歇性的操作模式，能耗和溶剂消耗也大大降低，非常适用于溶剂比较昂贵的难分离体系和一些复杂物质的大规模工业提纯；通过设置分离中间组分的出口，可以实现多组分复杂体系的分离，提高分离效率和产品的多样性。

关于顺序式模拟移动床的研究，国内外的文献中报道较少，其应用多见于一些结构简单的二元体系。在近期的研究中，李良玉等探索了顺序式模拟移动色谱分离纯化木糖醇母液的过程，将母液纯度提高了31.12％。沈春娟等报道了一种用顺序式模拟移动床分离L-色氨酸的技术，最终产品收率达到99％,谷氨酸的去除率达到100％，并通过多次试验提供了最优操作条件。现阶段关于顺序式模拟移动床的研究，为了达到目标纯度和收率，均需要大量的实验来确定最佳操作条件(切换时间、各区流量等参数)，且由于装置比较复杂，一次分离实验达到稳定需要经过十几次循环，所以能耗、溶剂消耗、物料消耗也较大，在提余口和提取口物料的损耗也不可避免，会直接影响到产品的收率和分离效率，一般使用模拟移动床技术分离低聚木糖溶液，收率为70％左右，纯度很难达到90％以上。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种溶剂、能耗及物料消耗小，产品收率和分离效率高且对顺序式模拟移动床操作条件要求不高的顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化系统及工艺，以解决现有技术中使用模拟移动床技术分离低聚木糖溶液的收率低、纯度很难达到90％以上，且模拟移动床操作过程复杂等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化系统，包括顺序式模拟移动床、第一结晶装置、第二结晶装置和水浴控温装置；所述顺序式模拟移动床的提取液出口端与所述第一结晶装置的进液口流体导通，所述顺序式模拟移动床的提余液出口端与所述第二结晶装置的进液口流体导通；所述第一结晶装置和所述第二结晶装置的结晶母液流出口均与所述顺序式模拟移动床的进料液入口端流体导通；所述水浴控温装置分别控制所述第一结晶装置和所述第二结晶装置的结晶温度；所述提取液出口端流出的是在色谱柱上吸附力强的重组分，所述提余液出口端流出的是在色谱柱上吸附力弱的轻组分。结晶装置主要以顺序式模拟移动床流出液为原料，进行二次分离，使产物纯度得到提升的同时控制产品形状、尺寸等物理性质。水浴控温装置用于调节结晶过程的温度，保证晶体的生成和生长。

上述顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化系统，所述顺序式模拟移动床包括重组分保留区、轻组分保留区、第一轻重组分分割区和第二轻重组分分割区，沿流动相的流动方向，所述重组分保留区与所述轻组分保留区相间分布，所述第一轻重组分分割区与所述第二轻重组分分割区相间分布；在相同条件下：轻组分分别在所述重组分保留区、所述轻组分保留区、所述第一轻重组分分割区和所述第二轻重组分分割区上的运行时间T₁相等，并且重组分分别在所述重组分保留区、所述轻组分保留区、所述第一轻重组分分割区和所述第二轻重组分分割区上的运行时间T₂相等；T₂＝1.5T₁～4T₁。顺序式模拟移动床装置主要利用色谱柱为介质，完成对目标体系的初步分离，其中一次循环包括四次切换，一次切换包括三个子步骤，每个子步骤的各区色谱柱分布和进出口阀门开关情况不同，以此保证分离的效率和节约溶剂；本发明经过多次筛选和试验，通过选择特定的色谱柱、流动相，并调节流动相的流速，可控制T₂＝1.5T₁～4T₁范围内。

上述顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化系统，所述顺序式模拟移动床的色谱柱分离组件包括Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，且每个区设置有至少一根色谱柱；

Ⅰ区依次作为重组分保留区、第一轻重组分分割区、轻组分保留区和第二轻重组分分割区；

Ⅱ区依次作为第一轻重组分分割区、轻组分保留区和第二轻重组分分割区和重组分保留区；

Ⅲ区依次作为轻组分保留区、第二轻重组分分割区、重组分保留区和第一轻重组分分割区；

Ⅳ区依次作为第二轻重组分分割区、重组分保留区、第一轻重组分分割区和轻组分保留区。

上述顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化系统，所述色谱柱的进出口分别设有阀门，沿流动相的流动方向：相邻两个不同区的所述色谱柱之间通过管路进行串联连接，且所述管路上设有流量计；所述顺序式模拟移动床的提取液出口端和所述顺序式模拟移动床的提余液出口端均设有电导率仪；所述色谱柱的固定相为DOWEXMONOSPHERETM 99/310K⁺型树脂。

顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺，包括如下步骤：

步骤A：将进料液和洗脱液分别通过顺序式模拟移动床的进料液入口端和洗脱液入口端输送至所述顺序式模拟移动床中，启动所述顺序式模拟移动床对所述进料液进行分离，并将所述顺序式模拟移动床上的目标吸附组分洗脱下来；

步骤B：将所述顺序式模拟移动床的提取液出口端流出的液体通过管路和第一结晶装置的进液口输送至所述第一结晶装置中，通过调节水浴控温装置控制所述第一结晶装置的结晶温度，对所述提取液出口端流出的液体进行结晶纯化，得到单糖；将所述顺序式模拟移动床的提余液出口端流出的液体通过管路和第二结晶装置的进液口输送至所述第二结晶装置中，通过调节水浴控温装置控制所述第二结晶装置的结晶温度，对所述提余液出口端流出的液体进行结晶纯化，得到低聚木糖；所述提取液出口端流出的是在色谱柱上吸附力强的重组分，提余液出口端流出的是在色谱柱上吸附力弱的轻组分；

步骤C：分别将所述第一结晶装置和所述第二结晶装置中的结晶母液依次通过结晶母液流出口、所述顺序式模拟移动床的进料液入口端输送至所述顺序式模拟移动床中进行循环分离纯化。采用本发明的工艺分离纯化低聚木糖：最终低聚木糖纯度可以达到97wt％以上，收率可以达到90％以上，产品为白色细小结晶，单纯依靠传统的模拟移动床或者顺序式模拟移动床难以实现，技术优势明显。

顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺，在步骤B中，所述第一结晶装置以60～100r/h的转速连续搅拌,温度维持在60℃，维持时间为5～10min；之后对所述第一结晶装置内的所述单糖溶液降温,降温速率为2～3℃/min,直至大量晶体析出；

所述第二结晶装置以45～60r/h的转速连续搅拌,温度维持在60℃，维持时间为5～10min；之后对所述第二结晶装置内低聚木糖溶液降温,降温速率为0.5～1.5℃/min,直至晶体出现，开始育晶，并将降温速率调节为0.1-0.5℃/min，使晶体大量析出并生长。

顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺，所述顺序式模拟移动床的色谱柱分离组件包括Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，且每个区都设有1根色谱柱；流动相自所述Ⅰ区依次流向所述Ⅱ区、所述Ⅲ区和所述Ⅳ区；

Ⅰ区依次作为重组分保留区、第一轻重组分分割区、轻组分保留区和第二轻重组分分割区；

Ⅱ区依次作为第一轻重组分分割区、轻组分保留区和第二轻重组分分割区和重组分保留区；

Ⅲ区依次作为轻组分保留区、第二轻重组分分割区、重组分保留区和第一轻重组分分割区；

Ⅳ区依次作为第二轻重组分分割区、重组分保留区、第一轻重组分分割区和轻组分保留区；

沿流动相的流动方向，所述重组分保留区与所述轻组分保留区相间分布，所述第一轻重组分分割区与所述第二轻重组分分割区相间分布；在相同条件下：轻组分分别在所述重组分保留区、所述轻组分保留区、所述第一轻重组分分割区和所述第二轻重组分分割区上的运行时间T₁相等，并且重组分分别在所述重组分保留区、所述轻组分保留区、所述第一轻重组分分割区和所述第二轻重组分分割区上的运行时间T₂相等；T₂＝1.5T₁～4T₁。

顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺，所述色谱柱的固定相为DOWEX MONOSPHERETM 99/310K⁺型树脂；所述色谱柱采用湿法装填色谱柱；所述洗脱液为去离子水；所述色谱柱组件的工作温度为60℃±0.5℃。

顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺，所述顺序式模拟移动床的分离纯化过程包括如下步骤：

步骤(1)进料期：将进料液通过所述Ⅲ区的所述色谱柱的进料液入口端输送至所述顺序式模拟移动床中；将洗脱液通过所述Ⅰ区的所述色谱柱的洗脱液入口端输送至所述顺序式模拟移动床中；同时，所述Ⅱ区的所述色谱柱和所述Ⅳ区的所述色谱柱的进出口阀门均关闭，断开所述Ⅰ区和所述Ⅱ区之间的管路连接，断开所述Ⅲ区和所述Ⅳ区之间的管路连接，使所述Ⅱ区和所述Ⅳ区停止工作；所述Ⅲ区的所述色谱柱的出口处收集到的提余液进入所述第二结晶装置二次纯化，所述Ⅰ区的所述色谱柱的出口处收集到的提取液进入所述第一结晶装置二次纯化；对所述第一结晶装置和所述第二结晶装置中结晶母液进行回收；将收集后的所述结晶母液作为进料液的一部分进入所述顺序式模拟移动床进行下一轮的循环分离纯化；

步骤(2)循环期：将所述Ⅰ区、所述Ⅱ区、所述Ⅲ区和所述Ⅳ区的全部所述色谱柱通过管路串联形成闭合回路，使所述色谱柱中的流动相在所述色谱柱中不断地循环，所述流动相自所述Ⅰ区依次流向所述Ⅱ区、所述Ⅲ区和所述Ⅳ区；

步骤(3)洗脱期：将所述Ⅳ区的所述色谱柱的进出口阀门关闭，所述Ⅳ区与所述Ⅰ区之间以及所述Ⅳ区与所述Ⅲ区之间的管路连接均断开，使所述Ⅳ区停止工作；同时将所述Ⅰ区、所述Ⅱ区和所述Ⅲ区保持串联连接，并保留所述Ⅰ区的入口和所述Ⅲ区的出口；将所述洗脱液通过所述Ⅰ区的所述色谱柱的洗脱液入口端输送至所述Ⅰ区，所述洗脱液依次经过所述Ⅱ区和所述Ⅲ区，从所述Ⅲ区的所述色谱柱的提余液出口端流出后通过管路进入所述第二结晶装置进行二次纯化；对所述第二结晶装置中结晶母液进行回收，将收集的所述结晶母液作为进料液的一部分进入所述顺序式模拟移动床进行下一轮的循环分离纯化；

步骤(4)切换色谱柱：所述色谱柱的切换顺序与所述流动相的流动方向相反；

步骤(5)：重复步骤(1)至步骤(4)，完成第二次色谱柱切换，继续重复步骤(1)至步骤(4)，直至完成4次色谱柱切换，此时所有色谱柱均回到最初的位置，即完成一个分离纯化循环；

步骤(6)：重复步骤(1)至步骤(5)，完成五个或五个以上的分离纯化循环，直至所述顺序式模拟移动床出口处的溶液电导率不再发生变化时停止循环，视为系统达到平衡，即可使进料液得以分离纯化。

顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺，在步骤(1)中，所述洗脱液的流量为10mL/min，所述进料液的流量为3～7mL/min，所述顺序式模拟移动床的运行时间为1～5min；

在步骤(2)中，循环期所述顺序式模拟移动床的运行时间为30～40min；

在步骤(3)中，所述洗脱液的流量为10mL/min；所述顺序式模拟移动床的运行时间为2～5min。

本发明的工作原理：

模拟移动床技术是多个色谱柱有序串联形成一个闭合的回路，其核心机理是一个固定相和流动相逆向移动的、连续性的分离过程，这种逆向操作是通过有规律地同时切换各个进出口来实现的。结晶过程是利用混合物中各成分在同一种溶剂里溶解度的不同或在冷热情况下溶解度显著差异而加以分离的技术。

本发明中的顺序式模拟移动床主要工作部分为色谱柱分离组件，色谱柱分离组件分为Ⅰ-Ⅳ四个区域，每个区域色谱柱数目不等，视分离目标体系和分离要求而定，每根色谱柱设置进出口。通过控制各色谱柱进出口阀门的开关来控制进料、出料，实现各区色谱柱的切换、色谱柱的再生和整个顺序式模拟移动床的循环，实现连续性生产。

顺序式模拟移动床将传统的模拟移动床的一次切换(四次切换为一个循环)分成了进料、循环、洗脱三个子步骤，在进料期(子步骤1)，如图1所示，进料液和洗脱液分别由Ⅲ区和Ⅰ区进入顺序式模拟移动床，Ⅱ区和Ⅳ区停止工作，利用色谱柱对不同组分吸附能力的不同来实现分离，在Ⅲ区和Ⅰ区的出口处可以分别收集轻组分和重组分。出口处的提取液和提余液分别进入第一结晶装置和第二结晶装置进行二次纯化，结晶过程利用水浴控温装置通过温度的控制来实现。同时，对结晶过程的母液进行回收，作为进料液的一部分进入顺序式模拟移动床，以保证物质收率，节约物料。

在循环期(子步骤2)，如图2所示，Ⅰ-Ⅳ区所有色谱柱连接形成一个闭合的回路，所有进出口阀门关闭，流动相在其中不断地循环，重新分配物料在各个区域的组成。

在洗脱期(子步骤3)，如图3所示，Ⅳ区停止工作，保留Ⅰ区的入口和Ⅲ区的出口，洗脱液由Ⅰ区进入，经过Ⅱ区，从Ⅲ区流出，在Ⅲ区出口处可以收集轻组分。这部分提余液同样继续进入第二结晶装置进行二次纯化，结晶过程通过温度的控制来实现。同时，对结晶过程的母液进行回收，作为进料液的一部分在子步骤1进入顺序式模拟移动床，以保证物质收率，节约物料。

四次切换为一个循环，经过数个循环，当系统趋于稳定的时候(通过检测出口溶液电导率来确定)，就可以达到分离纯化的目的，在出口处收集到高纯度、高品质的产品。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

(1)本发明提供了一种新型顺序式模拟移动床耦合结晶过程的连续性分离纯化工艺，将顺序式模拟移动床作为分离过程的第一步，对目标体系溶液(低聚木糖粗产品)进行初步的分离和富集，再将高浓度的轻组分和重组分溶液分别输送到结晶釜中进行二次纯化，采用改变温度的方式实现结晶分离，并通过对结晶动力学的研究，对产品的尺寸、形状进行合理的控制。同时，回收结晶过程的母液，将母液返回顺序式模拟移动床作为进料液的一部分参与进料，再进行分离。此过程产品的收率和纯度都大大地提高，利用顺序式模拟移动床分离效率高的优势为结晶过程提供了高浓度溶液，利用结晶过程产品物性优异、能量消耗少、对设备材质要求低的优点来生产高纯度产品，充分利用了两种分离过程的优势，弥补了各自分离过程的不足。

(2)本发明的分离纯化系统中，通过将顺序式模拟移动床与结晶过程耦合，加入二次纯化过程，降低了对顺序式模拟移动床分离纯度的要求，依据平衡理论进行简单的设计即可进行初步分离，避免了进行大量的实验来摸索顺序式模拟移动床的各项操作条件，有效地节约了人力、物力。本发明经过多次筛选和试验，通过选择特定的色谱柱、流动相，并调节流动相的流速，可控制T₂＝1.5T₁～4T₁范围内，此条件下，低聚木糖的分离和富集效率较高。采用本发明的工艺分离纯化低聚木糖：最终低聚木糖纯度可以达到97wt％以上，收率可以达到90％以上，产品为白色细小结晶，单纯依靠传统的模拟移动床或者顺序式模拟移动床难以实现，技术优势明显。

(3)现有技术中，单纯地依靠顺序式模拟移动床技术进行生产成本过高，对固定相的使用和损耗也过高；而本发明通过将顺序式模拟移动床与结晶过程结合起来，结晶过程能量消耗少、对设备材质要求低、不引入其他物系，而且可以有效控制产品的形状、尺寸等表观性质，不仅控制了成本、实现了产品的二次纯化，也完成了产品的美化。另外，本发明通过对结晶过程的母液进行回收再利用，大大提高了产品收率，减少了顺序式模拟移动床分离过程中的物料损耗。

附图说明

图1本发明顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺子步骤1进料期的示意图；

图2本发明顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺子步骤2循环期的示意图；

图3本发明顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺子步骤3洗脱期的示意图。

图中附图标记表示为：1-顺序式模拟移动床；2-第一结晶装置；3-第二结晶装置；4-水浴控温装置。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化系统，包括顺序式模拟移动床1、第一结晶装置2、第二结晶装置3和水浴控温装置4；顺序式模拟移动床1的提取液出口端与第一结晶装置2的进液口流体导通，顺序式模拟移动床1的提余液出口端与第二结晶装置3的进液口流体导通；第一结晶装置2和第二结晶装置3的结晶母液流出口均与顺序式模拟移动床1的进料液入口端流体导通；水浴控温装置4控制第一结晶装置2和第二结晶装置3的结晶温度；提取液出口端流出的是在色谱柱上吸附力强的重组分，提余液出口端流出的是在色谱柱上吸附力弱的轻组分。

顺序式模拟移动床1包括重组分保留区、轻组分保留区、第一轻重组分分割区和第二轻重组分分割区，沿流动相的流动方向，重组分保留区与轻组分保留区相间分布，第一轻重组分分割区与第二轻重组分分割区相间分布；在相同条件下：轻组分分别在重组分保留区、轻组分保留区、第一轻重组分分割区和第二轻重组分分割区上的运行时间T₁相等，并且重组分分别在重组分保留区、轻组分保留区、第一轻重组分分割区和第二轻重组分分割区上的运行时间T₂相等；T₂＝1.5T₁～4T₁；顺序式模拟移动床1的色谱柱分离组件包括Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，且每个区域设置有一根色谱柱。

Ⅰ区依次作为重组分保留区、第一轻重组分分割区、轻组分保留区和第二轻重组分分割区；Ⅱ区依次作为第一轻重组分分割区、轻组分保留区和第二轻重组分分割区和重组分保留区；Ⅲ区依次作为轻组分保留区、第二轻重组分分割区、重组分保留区和第一轻重组分分割区；Ⅳ区依次作为第二轻重组分分割区、重组分保留区、第一轻重组分分割区和轻组分保留区。

色谱柱的进出口分别设有阀门，沿流动相的流动方向：相邻两个不同区的所述色谱柱之间通过管路进行串联连接，且管路上设有流量计；顺序式模拟移动床1的提取液出口端和顺序式模拟移动床1的提余液出口端均设有电导率仪，以检测产品浓度变化；色谱柱的固定相为DOWEX MONOSPHERETM99/310K⁺型树脂，湿法装填色谱柱；色谱柱带夹套，用循环水进行温度控制；第一结晶装置2和第二结晶装置3均为结晶釜。

本实施例将顺序式模拟移动床和结晶过程相耦合，利用顺序式模拟移动床分离效率高的优势为结晶过程提供了高浓度溶液，利用结晶过程产品物性优异、能量消耗少、对设备材质要求低的优点来生产高纯度产品，充分利用了两种分离过程的优势，弥补了各自分离过程的不足。其中，顺序式模拟移动床主要利用色谱柱为介质，完成对目标体系的初步分离，4次切换为一个循环，一次切换包括三个子步骤，每个子步骤的各区色谱柱分布和进出口阀门开关情况不同，以此保证分离的效率和节约溶剂。通过控制各色谱柱进出口阀门的开关来控制进料、出料，实现各区色谱柱的切换、色谱柱的再生和整个顺序式模拟移动床的循环；第一结晶装置和第二结晶装置主要以顺序式模拟移动床流出液为原料，进行二次分离，使产品纯度得到提升同时控制产品形状、尺寸等物理性质。水浴控温装置用于调节流出液的结晶过程的温度，保证晶体的生成和生长。

实施例2

顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺，采用实施例1的顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化系统对低聚木糖粗产品进行纯化。本实施例依据工业水解过程得到的低聚木糖粗产品的组成进行配比，配制成含有70wt％低聚木糖、22wt％木糖和8wt％阿拉伯糖的低聚木糖溶液，将该低聚木糖溶液浓缩至糖浓度的质量分数为30wt％的低聚木糖溶液作为本实施例的进料液；本实施例所用洗脱液为去离子水，色谱柱的工作温度控制在60℃。在本实施例中，以DOWEX MONOSPHERETM 99/310K⁺型树脂为固定相，采用湿法装填得到色谱柱组件，以去离子水为洗脱液，色谱柱组件的工作温度控制在60℃，并调节洗脱液的流速为10mL/min，可保证T₂＝1.5T₁～4T₁。本实施的分离纯化工艺具体包括如下步骤：

步骤(1)进料期：将进料液通过Ⅲ区的色谱柱的进料液入口端输送至顺序式模拟移动床1中，进料液流量为5mL/min，进料时间为3min；将洗脱液通过Ⅰ区的色谱柱的洗脱液入口端输送至顺序式模拟移动床1中，洗脱液流量为10mL/min，洗脱时间为3min；同时，Ⅱ区的色谱柱和Ⅳ区的色谱柱的进出口阀门均关闭，断开Ⅰ区和Ⅱ区之间的管路连接，断开Ⅲ区和Ⅳ区之间的管路连接，使Ⅱ区和Ⅳ区停止工作；在Ⅲ区和Ⅰ区的出口处可以分别收集到较高纯度的低聚木糖溶液和单糖溶液；Ⅲ区的色谱柱的出口处收集到的提余液进入第二结晶装置3进行二次纯化，第二结晶装置3以50r/h的转速连续搅拌,温度维持在60℃，维持时间为10min；之后对结晶釜内低聚木糖溶液降温,降温速率为0.5℃/min,直至晶体出现，开始育晶，降温速率调节为0.2℃/min，此时晶体大量析出并生长，收集得到高纯度低聚木糖；Ⅰ区的色谱柱的出口处收集到的提取液进入第一结晶装置2进行二次纯化，结晶装置2以80r/h的转速连续搅拌,温度维持在60℃，维持时间为5min；之后对结晶釜内单糖溶液降温,降温速率为2℃/min,直至大量单糖晶体析出。对第一结晶装置2和第二结晶装置3中结晶母液进行回收；将收集的结晶母液作为进料液的一部分进入顺序式模拟移动床1进行下一轮的循环分离纯化，以保证物质收率，节约物料；具体参见图1。

步骤(2)循环期：将Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区的全部色谱柱通过管路串联形成闭合回路即Ⅰ区色谱柱的出口端与Ⅱ区色谱柱的入口端相连接，Ⅱ区色谱柱的出口端与Ⅲ区色谱柱的入口端相连接，Ⅲ区色谱柱的出口端与Ⅳ区色谱柱的入口端相连接，Ⅳ区色谱柱的出口端与Ⅰ区色谱柱的入口端相连接，具体参见图2，使色谱柱中的流动相在色谱柱中不断地循环，36min后循环结束，流动相自Ⅰ区依次流向Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区。

步骤(3)洗脱期：将Ⅳ区的色谱柱的进出口阀门关闭，Ⅳ区与Ⅰ区之间以及Ⅳ区与Ⅲ区之间的管路连接均断开，使Ⅳ区停止工作；同时将Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区保持串联连接，并保留Ⅰ区的入口和Ⅲ区的出口；将洗脱液通过Ⅰ区的色谱柱的洗脱液入口端输送至Ⅰ区，洗脱液的流量为10mL/min，洗脱时间为4min，洗脱液依次经过Ⅱ区和Ⅲ区，在Ⅲ区出口处可以收集轻组分，得到高浓度的低聚木糖溶液；从Ⅲ区的色谱柱的提余液出口端流出后通过管路进入第二结晶装置3进行二次纯化，第二结晶装置3以50r/h的转速连续搅拌,温度维持在60℃，维持时间为10min。之后对结晶釜内低聚木糖溶液降温,降温速率为0.5℃/min,直至晶体出现，开始育晶，降温速率调节为0.2℃/min，此时晶体大量析出并生长，收集高纯度低聚木糖；对第二结晶装置3中结晶母液进行回收，将结晶母液通过结晶母液回收部收集，并作为进料液的一部分进入顺序式模拟移动床1进行下一轮的循环分离纯化，参见图3。

步骤(4)切换色谱柱：切换色谱柱分离组件，使各区的色谱柱进行第一次切换；切换方向为逆时针，即色谱柱的切换顺序与流动相的流动方向相反。

步骤(5)：重复步骤(1)至步骤(4)，完成第二次色谱柱切换，继续重复步骤(1)至步骤(4)，直至完成4次色谱柱切换，此时所有色谱柱均回到最初的位置，即完成一个分离纯化循环。

步骤(6)：重复步骤(1)至步骤(5)，直至完成10个分离纯化循环，顺序式模拟移动床1出口处的溶液电导率不再发生变化，整个系统趋于稳定，停止循环，即完成了低聚木糖的分离纯化。

对结晶收集得到的产品进行检测，本实施例得到的低聚木糖的纯度为97.8wt％、收率为93.4％，得到的低聚木糖产品为白色细小结晶，单糖的纯度为90.9wt％，收率为92.6％；说明本实施例的通过将顺序式模拟移动床与结晶过程相耦合，并将其控制在特定的结晶条件下，分离得到了纯度高、收率好的低聚木糖产品，且不需要大量试验摸索顺序式模拟移动床的操作条件，节约时间、人力和物料；与单纯依靠传统的模拟移动床或者顺序式模拟移动床相比，技术优势明显。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (2)

1.顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：将进料液和洗脱液分别通过顺序式模拟移动床(1)的进料液入口端和洗脱液入口端输送至所述顺序式模拟移动床(1)中，启动所述顺序式模拟移动床(1)对所述进料液进行分离，并将所述顺序式模拟移动床(1)上的目标吸附组分洗脱下来；

步骤B：将所述顺序式模拟移动床(1)的提取液出口端流出的液体通过管路和第一结晶装置(2)的进液口输送至所述第一结晶装置(2)中，通过调节水浴控温装置(4)控制所述第一结晶装置(2)的结晶温度，对所述提取液出口端流出的液体进行结晶纯化，得到单糖；将所述顺序式模拟移动床(1)的提余液出口端流出的液体通过管路和第二结晶装置(3)的进液口输送至所述第二结晶装置(3)中，通过调节水浴控温装置(4)控制所述第二结晶装置(3)的结晶温度，对所述提余液出口端流出的液体进行结晶纯化，得到低聚木糖；所述提取液出口端流出的是在色谱柱上吸附力强的重组分，提余液出口端流出的是在色谱柱上吸附力弱的轻组分；

步骤C：分别将所述第一结晶装置(2)和所述第二结晶装置(3)中的结晶母液依次通过结晶母液流出口、所述顺序式模拟移动床(1)的进料液入口端输送至所述顺序式模拟移动床(1)中进行循环分离纯化；

在步骤B中，所述第一结晶装置(2)以60～100r/h的转速连续搅拌,温度维持在60℃，维持时间为5～10min；之后对所述第一结晶装置(2)内的所述单糖溶液降温,降温速率为2～3℃/min,直至大量晶体析出；

所述第二结晶装置(3)以45～60r/h的转速连续搅拌,温度维持在60℃，维持时间为5～10min；之后对所述第二结晶装置(3)内低聚木糖溶液降温,降温速率为0.5～1.5℃/min,直至晶体出现，开始育晶，并将降温速率调节为0.1-0.5℃/min，使晶体大量析出并生长；

所述顺序式模拟移动床(1)的色谱柱分离组件包括Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，且每个区都设有1根色谱柱；流动相自所述Ⅰ区依次流向所述Ⅱ区、所述Ⅲ区和所述Ⅳ区；

Ⅰ区依次作为重组分保留区、第一轻重组分分割区、轻组分保留区和第二轻重组分分割区；

Ⅱ区依次作为第一轻重组分分割区、轻组分保留区和第二轻重组分分割区和重组分保留区；

Ⅲ区依次作为轻组分保留区、第二轻重组分分割区、重组分保留区和第一轻重组分分割区；

Ⅳ区依次作为第二轻重组分分割区、重组分保留区、第一轻重组分分割区和轻组分保留区；

沿流动相的流动方向，所述重组分保留区与所述轻组分保留区相间分布，所述第一轻重组分分割区与所述第二轻重组分分割区相间分布；在相同条件下：轻组分分别在所述重组分保留区、所述轻组分保留区、所述第一轻重组分分割区和所述第二轻重组分分割区上的运行时间T₁相等，并且重组分分别在所述重组分保留区、所述轻组分保留区、所述第一轻重组分分割区和所述第二轻重组分分割区上的运行时间T₂相等；T₂＝1.5T₁～4T₁；

所述顺序式模拟移动床(1)的分离纯化过程包括如下步骤：

步骤(1)进料期：将进料液通过所述Ⅲ区的所述色谱柱的进料液入口端输送至所述顺序式模拟移动床(1)中；将洗脱液通过所述Ⅰ区的所述色谱柱的洗脱液入口端输送至所述顺序式模拟移动床(1)中；同时，所述Ⅱ区的所述色谱柱和所述Ⅳ区的所述色谱柱的进出口阀门均关闭，断开所述Ⅰ区和所述Ⅱ区之间的管路连接，断开所述Ⅲ区和所述Ⅳ区之间的管路连接，使所述Ⅱ区和所述Ⅳ区停止工作；所述Ⅲ区的所述色谱柱的出口处收集到的提余液进入所述第二结晶装置(3)二次纯化，所述Ⅰ区的所述色谱柱的出口处收集到的提取液进入所述第一结晶装置(2)二次纯化；对所述第一结晶装置(2)和所述第二结晶装置(3)中结晶母液进行回收；将收集的所述结晶母液作为进料液的一部分进入所述顺序式模拟移动床(1)进行下一轮的循环分离纯化；

步骤(2)循环期：将所述Ⅰ区、所述Ⅱ区、所述Ⅲ区和所述Ⅳ区的全部所述色谱柱通过管路串联形成闭合回路，使所述色谱柱中的流动相在所述色谱柱中不断地循环，所述流动相自所述Ⅰ区依次流向所述Ⅱ区、所述Ⅲ区和所述Ⅳ区；

步骤(3)洗脱期：将所述Ⅳ区的所述色谱柱的进出口阀门关闭，所述Ⅳ区与所述Ⅰ区之间以及所述Ⅳ区与所述Ⅲ区之间的管路连接均断开，使所述Ⅳ区停止工作；同时将所述Ⅰ区、所述Ⅱ区和所述Ⅲ区保持串联连接，并保留所述Ⅰ区的入口和所述Ⅲ区的出口；将所述洗脱液通过所述Ⅰ区的所述色谱柱的洗脱液入口端输送至所述Ⅰ区，所述洗脱液依次经过所述Ⅱ区和所述Ⅲ区，从所述Ⅲ区的所述色谱柱的提余液出口端流出后通过管路进入所述第二结晶装置(3)进行二次纯化；对所述第二结晶装置(3)中结晶母液进行回收，将收集的所述结晶母液作为进料液的一部分进入所述顺序式模拟移动床(1)进行下一轮的循环分离纯化；

步骤(4)切换色谱柱：所述色谱柱的切换顺序与所述流动相的流动方向相反；

步骤(5)：重复步骤(1)至步骤(4)，完成第二次色谱柱切换，继续重复步骤(1)至步骤(4)，直至完成4次色谱柱切换，此时所有色谱柱均回到最初的位置，即完成一个分离纯化循环；

步骤(6)：重复步骤(1)至步骤(5)，完成五个或五个以上的分离纯化循环，直至所述顺序式模拟移动床(1)出口处的溶液电导率不再发生变化时停止循环，视为系统达到平衡，即可使进料液得以分离纯化；

在步骤(1)中，所述洗脱液的流量为10mL/min，所述进料液的流量为3～7mL/min，所述顺序式模拟移动床(1)的运行时间为1～5min；

在步骤(2)中，循环期所述顺序式模拟移动床(1)的运行时间为30～40min；

在步骤(3)中，所述洗脱液的流量为10mL/min；所述顺序式模拟移动床(1)的运行时间为2～5min。

2.根据权利要求1所述的顺序式模拟移动床耦合结晶过程的低聚木糖分离纯化工艺，其特征在于，所述色谱柱的固定相为DOWEX MONOSPHERETM 99/310K⁺型树脂；所述色谱柱采用湿法装填色谱柱；所述洗脱液为去离子水；所述色谱柱组件的工作温度为60℃±0.5℃。

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