前沿分析法測定葡萄糖在制備色譜柱上的吸附等溫線

陳永濤，丁子元，劉穎慰，徐 進(jìn)＊

（1. 溫州大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 溫州 325035； 2. 中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司，北京 昌平 102209）

前沿分析法測定葡萄糖在制備色譜柱上的吸附等溫線

陳永濤1，丁子元2，劉穎慰2，徐 進(jìn)1＊

（1. 溫州大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 溫州 325035； 2. 中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司，北京 昌平 102209）

吸附等溫線對模擬移動(dòng)床色譜操作參數(shù)的模擬和優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。以前沿分析法測定 65℃下葡萄糖在離子樹脂色譜柱上的吸附等溫線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該行為符合anti-langmuir吸附模型。用所求模型參數(shù)預(yù)測脈沖實(shí)驗(yàn)，模擬結(jié)果較好，驗(yàn)證了測定的模型參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

吸附等溫線；前沿分析法；葡萄糖

隨著液相色譜的快速發(fā)展，制備液相色譜在工業(yè)上的應(yīng)用也越來越廣泛。模擬移動(dòng)床（Simulation Moving Bed, SMB）色譜技術(shù)在制備色譜中是最具代表性的分離技術(shù)之一，SMB色譜技術(shù)具有連續(xù)化操作、生產(chǎn)效率高[1]、循環(huán)使用流動(dòng)相等優(yōu)點(diǎn)，已得到科研工作者的廣泛的關(guān)注。目前，SMB色譜拆分技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油化工、制糖工業(yè)以及制藥工程[1,2]等行業(yè)。SMB在單糖的分離中應(yīng)用較為廣泛，如木糖和阿拉伯糖[3]，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約流動(dòng)相和樹脂用量。

吸附等溫線是 SMB色譜熱力學(xué)性質(zhì)的表現(xiàn)形式，吸附等溫線主要研究組分在兩相間吸附與分配的熱力學(xué)關(guān)系，是研究色譜分離的理論基礎(chǔ)，準(zhǔn)確測定吸附等溫線模型參數(shù)是模擬與優(yōu)化 SMB分離參數(shù)的前提。目前測定吸附等溫線的方法主要有靜態(tài)法（Static Methods）、逆向法[4]（Inverse Method）、微擾動(dòng)法[5,6]（Perturbation Method）及前沿分析法[7,8]（Frontal Analysis）。其中前言分析法測定精度高，無動(dòng)力學(xué)誤差，適用于柱效低的色譜柱等優(yōu)點(diǎn)。目前有文獻(xiàn)[9]報(bào)道葡萄糖的吸附等溫線是在低濃度范圍內(nèi)測定的，并不適用于工業(yè)分離高濃度葡萄糖，本研究以前沿分析法測定葡萄糖的吸附等溫線，測定的濃度范圍上限超過300 g·L-1，達(dá)到工業(yè)分離果葡糖漿的葡萄糖濃度，并使用anti-Langmuir模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。后續(xù)只需用同樣的方法測定果糖的吸附等溫線，即可確定果葡糖漿中兩種組分的吸附等溫線模型參數(shù)，為SMB分離果葡糖漿的模擬和優(yōu)化提供基礎(chǔ)參數(shù)[10]。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

創(chuàng)新通恒 LC3000制備液相色譜儀（北京創(chuàng)新通恒科技有限公司）；Shodex RI-102示差檢測器（日本昭和電工科學(xué)儀器有限公司）；恒溫水浴HHS21-4（上海博訊實(shí)業(yè)有限公司）；電子天平BSA224S（德國賽多利斯儀器公司）；D-葡萄糖（北京奧博星生物技術(shù)有限公司）； Elix Advantage超純水系統(tǒng)（德國默克密理博公司）。

2 方法和內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

前沿分析法是相對準(zhǔn)確、可靠的方法之一[11]。本實(shí)驗(yàn)采用階梯法進(jìn)行穿透實(shí)驗(yàn)，按濃度由低到高的順序測出一系列樣品的突破曲線。用去離子水作為流動(dòng)相平衡色譜系統(tǒng)，將最低濃度的葡萄糖溶液作為流動(dòng)相連續(xù)進(jìn)樣，直至流出曲線達(dá)到穩(wěn)定的平臺(tái)并持續(xù)一段時(shí)間，則該濃度下的突破曲線實(shí)驗(yàn)完成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。更換濃度較高的葡萄糖溶液作為流動(dòng)相，按上述操作重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

計(jì)算固定相平衡吸附量的方程式為：

式中，qj— 第j步組分在固定相中的濃度, g·L-1；

Vc— 色譜柱的柱體積，L；

tD— 系統(tǒng)死時(shí)間，min；

tR— 第j步的突破時(shí)間，min；

ε — 色譜柱的空隙率。

實(shí)驗(yàn)可以測得一系列濃度對應(yīng)的固定相平衡吸附量，cj對qj作圖，即得到吸附等溫線。結(jié)果見圖2。

圖1 葡萄糖的突破曲線Fig.1 Experimental breakthrough curves of glucose

方程式（1）的色譜柱空隙率是色譜柱重要的參數(shù)之一，測定色譜柱空隙率的方法是用不被固定相吸附的藍(lán)葡聚糖作為示蹤劑，測定藍(lán)葡聚糖在色譜柱的保留時(shí)間，計(jì)算色譜柱的空隙體積，已知色譜柱的柱體積則計(jì)算出色譜柱的空隙率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。

2.2 吸附等溫線模型及參數(shù)

圖3所示，測得的吸附等溫線在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)體現(xiàn)出非線性特征，且呈上揚(yáng)趨勢。

圖2 葡聚糖在10 mL/min下通過色譜柱的色譜圖Fig.2 Chromatogram of dextran through from column at 10 mL/min

為此采用anti-Langmuir模型描述葡萄糖在制備色譜柱上的吸附平衡：

方程式（2）可改寫為：

由方程式（3）知，1/qj對1/cj作圖，并用最小二乘法擬合，當(dāng)截距是負(fù)值時(shí)，吸附模型為anti-Langmuir。通過截距和斜率可求出飽和吸附量qs和吸附平衡常數(shù)bi。將所得參數(shù)代入式（2）可得anti-Langmuir模型吸附等溫線，圖5中的對比顯示，模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

圖3 葡萄糖的吸附等溫線Fig.3 Adsorption isotherm of glucose

3 結(jié)果與討論

3.1 葡萄糖的吸附等溫線

吸附等溫線需要在恒溫下進(jìn)行測定，葡萄糖溶液黏度隨溫度的升高而降低，色譜柱的壓降減小，有利于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是溫度過高會(huì)破壞樹脂結(jié)構(gòu)，所以實(shí)驗(yàn)水浴溫度定為65℃；色譜柱規(guī)格：?2.8 cm×100 cm；流量15 mL·min-1。

由公式（1）（3）及圖4可以求出吸附等溫線參數(shù)，飽和吸附量qs=625 g·L-1，吸附平衡常數(shù)bs=5.09×10-4L·g-1。

圖4 1/q對1/c關(guān)系圖Fig.4 Plot of 1/q as a function of 1/c

3.2 模型有效性驗(yàn)證

圖5對不同流速、濃度、進(jìn)樣量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比。從圖中可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)流出曲線均達(dá)到較好的擬合，流量10 mL·min-1時(shí)實(shí)驗(yàn)流出曲線略有后移，可能是流動(dòng)相在進(jìn)色譜柱前的管路中溫度降低，造成色譜柱溫度偏低，亨利常數(shù)變大。用求解的吸附等溫線參數(shù)預(yù)測脈沖實(shí)驗(yàn)流出曲線吻合度較好，驗(yàn)證了使用anti-Langmuir模型的正確性以及參數(shù)測定的準(zhǔn)確性。

圖5 anti-Langmuir模型對不同條件流出曲線的擬合結(jié)果Fig.5 Fits to the experimentally measured elution profiles for anti-Langmuir model

圖5（a）、（b）、（c）各實(shí)驗(yàn)條件如表1。

表1 三組脈沖實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Three groups of pulse experiment conditions

在制備柱上測定了葡萄糖的吸附等溫線，模型是anti-Langmuir，將求解模型參數(shù)代入程序預(yù)測脈沖實(shí)驗(yàn)，模擬結(jié)果吻合度較高。為模擬移動(dòng)床色譜分離果葡糖漿的工藝參數(shù)的模擬和優(yōu)化提供基礎(chǔ)參數(shù)。

［1］ 周日尤. 模擬移動(dòng)床分離技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J]. 中國食品添加劑, 2010, 5: 182-186.

［2］ 暴領(lǐng)群. 高效前沿分析法應(yīng)用于藥物與蛋白結(jié)合研究[J]. 藥學(xué)進(jìn)展, 2001, 25(2): 84-87.

［3］ 李洪飛, 李良玉, 張麗萍, 等. 模擬移動(dòng)床色譜技術(shù)應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工. 學(xué)刊, 2011 (5): 62-65.

［4］Xu J, Jiang X, Guo J, et al. Competitive adsorption equilibrium model with continuous temperature dependent parameters for naringenin enantiomers on Chiralpak AD column[J]. Journal of Chromatography A, 2015, 1422: 163-169.

［5］ Heuer C, Küsters E, Plattner T, et al. Design of the simulated moving bed process based on adsorption isotherm measurements using a perturbation method[J]. Journal of Chromatography A, 1998, 827(2): 175-191.

［6］Forssén P, Lindholm J, Fornstedt T. Theoretical and experimental study of binary perturbation peaks with focus on peculiar retention behaviour and vanishing peaks in chiral liquid chromatography[J]. Journal of Chromatography A, 2003, 991(1): 31-45.

［7］ Lisec O, Hugo P, Seidel-Morgenstern A. Frontal analysis method to determine competitive adsorption isotherms[J]. Journal of Chromatography A, 2001, 908(1): 19-34.

［8］ 程明. 色氨酸對映體的手性拆分及過程模擬[D]. 天津大學(xué), 2006.

［9］ 李洪飛, 孫大慶, 賈鵬禹, 等. 果葡糖漿在制備色譜柱上吸附等溫線的測定[J]. 食品科技, 2015 (2): 61-64.

［10］ 王菲菲. 模擬移動(dòng)床制備第三代高純果糖的研究[D]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué), 2010.

［11］Sajonz P, Zhong G, Guiochon G. Influence of the concentration dependence of the mass transfer properties on chromatographic band profiles: II. Accuracy of the determination of isotherm data by frontal analysis[J]. Journal of Chromatography A, 1996, 731(1): 1-25.

Adsorption Isotherm Determination of Glucose on Preparative Column by Frontal Analysis

CHEN Yong-tao1, DING Zi-yuan2, LIU Ying-wei2, XV Jin1*

（1. College of Chemistry and Material Engineering, Wenzhou University, Zhejiang Wenzhou 325035, China；2. COFCO Nutrition & Health Research Institute, Beijing 102209, China）

The adsorption isotherms are significant for simulation and optimization of simulated moving bed (SMB) operation parameters. In this paper, the frontal analysis method was used to determine the adsorption isotherm of glucose on the preparative column at 65 ℃. The results show that the adsorption isotherm is anti-Langmuir model. The model parameters were used to predict the pulse experiment, simulated results were better, which revealed that the model parameters were accurate and reliable.

adsorption isotherm; frontal analysis; glucose

O 657.7

A

1671-0460（2016）12-2800-03

2016-11-21

陳永濤（1992-），男，河南信陽人，在讀碩士研究生，主要從事模擬移動(dòng)床色譜分離研究工作。E-mail: chenyt5@163.com。

徐進(jìn)（1973-），男，副教授，博士，主要從事分離過程和多功能反應(yīng)器的研究。E-mail：xujin@wzu.edu.cn。