模擬移動(dòng)床色譜在多組分糖液分離中的研究應(yīng)用進(jìn)展

李云飛，欒慶民，劉峰，孫桂蓮，張莉，李珍珍，李克文*

1(保齡寶生物股份有限公司，山東 禹城,251200)2(山東省功能糖提取與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 禹城,251200) 3(上海交通大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海,200240)

模擬移動(dòng)床(simulated moving bed, SMB)色譜是20世紀(jì)60年代在石油工業(yè)內(nèi)首先開發(fā)出來的新型分離技術(shù)，具有處理量大、產(chǎn)品純度高、洗脫劑耗量低等諸多優(yōu)點(diǎn)。在隨后數(shù)十年中，先后在制糖業(yè)、食品、制藥和精細(xì)化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用[1-3]。常規(guī)SMB色譜由若干個(gè)色譜柱、泵和進(jìn)出口閥門等管件構(gòu)成4個(gè)區(qū)，分別是吸附劑再生區(qū)(Ⅰ)、提純區(qū)(Ⅱ)、吸附區(qū)(Ⅲ)和洗脫劑(往往同溶劑)再生區(qū)(Ⅳ)，其中提純區(qū)(Ⅱ)和吸附區(qū)(Ⅲ)是主工作區(qū)，Ⅰ、Ⅳ再生區(qū)是保障吸附劑和洗脫劑可再循環(huán)利用區(qū)。4個(gè)進(jìn)出口按一定時(shí)間間隔沿流動(dòng)相流動(dòng)方向同步移動(dòng)，從而形成固定相逆向移動(dòng)的虛擬效果(圖1)[4-5]。

實(shí)線-快組分B；虛線-慢組分A；D-溶劑或洗脫劑圖1 常規(guī)模擬移動(dòng)床(SMB)色譜結(jié)構(gòu)與濃度分布曲線[4-5]Fig.1 Configuration and concentration profile of classic SMB

對于含A、B兩組分的混合液，本文設(shè)A為強(qiáng)吸附，B為弱吸附，在周期穩(wěn)態(tài)條件下，弱吸附B(或稱為快組分)隨流動(dòng)相從提余口R流出；而強(qiáng)吸附A(慢組分)隨固定相逆向移動(dòng)，從提取口E流出。

對于3組分及以上混合液分離問題，利用常規(guī)SMB尚不能很好地解決，這是常規(guī)SMB的一個(gè)短板[6]。設(shè)A為強(qiáng)吸附(慢組分)，B為中等吸附(中間組分)，C為弱吸附(快組分)，色譜柱內(nèi)可能出現(xiàn)A-B混合、B-C混合，甚至A-B-C交叉混合現(xiàn)象，混合程度取決于3組分的吸附系數(shù)KA、KB和KC，以及SMB系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)(如流動(dòng)相流速，固定相流速或者進(jìn)出口切換時(shí)間、色譜柱高度或者數(shù)量、固定相表面性質(zhì)等)。當(dāng)KA、KB比較接近，并明顯大于KC時(shí)，僅有快組分C從提余口流出，而其他兩組分在提取口流出(圖2-a)；當(dāng)KB、KC比較接近，B、C兩組分從提余口流出，而A組分從提取口流出(圖2-b)，當(dāng)KA、KC比較接近，B組分可能與A、C兩組分均有重疊(圖2-c)[7]。

目前，分離3組分混合液有多種方案，可歸納為兩大類：即連續(xù)式和半連續(xù)式[9]。連續(xù)式是指連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料模式，主要形式有：兩組SMB串聯(lián)，8柱或9柱一體化SMB，5柱3組分SMB(3 fraction, 3F-SMB)，5柱改進(jìn)型SMB(modified SMB)。半連續(xù)是指間歇進(jìn)料或者間歇出料模式(例如，批處理色譜或柱色譜)，主要包括：2柱SMB/批處理色譜組合，準(zhǔn)SMB，間歇SMB(intermittent SMB, ISMB)，順序SMB(sequential SMB，SSMB)，梯度洗脫SMB(multicolumn countercurrent gradient solvent purification, MCGSP)。

a-KA、KB遠(yuǎn)大于KC；b-KB與KC大小相近； c-KA與KC大小相近(KA、KB、KC分別為三組分吸附系數(shù)) 粗虛線為快組分C，實(shí)線為中間組分B，細(xì)虛線為慢組分A圖2 三組分分離狀態(tài)[8]Fig.2 Concentration profiles of three fractions

1 連續(xù)式SMB色譜

1.1 串聯(lián)SMB色譜

圖3-a是兩組SMB色譜最簡捷的串聯(lián)方案，前后兩組由一個(gè)緩沖容器(T)連接，后一組承接前一組提取口(或者提余口)流出的混合液，實(shí)現(xiàn)3組分分離。緩沖容器(T)除了起連接作用外，還使兩組SMB色譜可以相對獨(dú)立運(yùn)行。例如，從乳糖、果糖等多組分混合液中分離乳糖酸和山梨醇，兩組SMB色譜分別填充K+和Ca2+交換樹脂獲得較好的分離效果[10]。圖3-b是兩組SMB色譜更緊密的一種串聯(lián)方式，形成一個(gè)貫通的流動(dòng)回路，使各區(qū)的流動(dòng)速度、進(jìn)出口切換時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)形成關(guān)聯(lián)體。

串聯(lián)SMB方案較完整地保留了SMB的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)備投資大(至少8個(gè)色譜柱)，運(yùn)行與維修成本高[11]，實(shí)際應(yīng)用較少[12]。LEE[13]借鑒多組分塔板精餾結(jié)構(gòu)和原理，設(shè)計(jì)了一種平行雙層區(qū)SMB結(jié)構(gòu)。與SMB色譜串聯(lián)系統(tǒng)比較，在中間組分與其他兩組分無明顯偏離條件下，平行雙層SMB色譜在生產(chǎn)率和洗脫劑消耗量方面均優(yōu)于串聯(lián)SMB色譜。由于平行雙層比串聯(lián)SMB色譜多4個(gè)區(qū)，因此，系統(tǒng)復(fù)雜性和設(shè)備成本方面仍然是制約其應(yīng)用的因素。

a-串聯(lián)模式1；b-串聯(lián)模式2圖3 串聯(lián)SMB系統(tǒng)[7,14-15]Fig.3 System of SMB in cascade[7,14-15]

1.2 五區(qū)SMB色譜

圖4為五區(qū)分離系統(tǒng)，也稱為分流SMB[16-17]，與常規(guī)SMB比較增加了1個(gè)區(qū)。增加的區(qū)可配置在提純區(qū)，或者配置在吸附區(qū)。如果快組分吸附系數(shù)遠(yuǎn)小于慢組分和中間組分，則增加的區(qū)配置在提純區(qū)，快組分將從提余口R流出，而慢組分和中間組分將在提取口E1和E2流出。如果慢組分吸附系數(shù)遠(yuǎn)大于另外兩組分，則增加的區(qū)配置在吸附區(qū)，慢組分將從提取口流出，快組分和中間組分將從2個(gè)提余口流出。五區(qū)系統(tǒng)比SMB色譜系統(tǒng)僅增加一個(gè)區(qū)，卻完成了兩組SMB色譜的分離任務(wù)，設(shè)備投資和運(yùn)行維修費(fèi)用低，洗脫劑和吸附劑再生功能也齊全(圖4 Ⅰ區(qū)和Ⅴ區(qū))。但是其不足之處在于，強(qiáng)吸附組分往往會(huì)污染中間組分，使A、B兩組分純度下降[11]。通過降低流動(dòng)相速度，可以改善A、B分離困難問題，但是也降低了生產(chǎn)能力。采用交替開啟和關(guān)閉產(chǎn)品出口的方法，使重疊區(qū)(A-B)進(jìn)一步調(diào)整，A-B分離效果得到改善[18]。HUR等[19]認(rèn)為只有中間組分分離系數(shù)與強(qiáng)吸附組分分離系數(shù)差別足夠大時(shí)，才能獲得高純度的中間組分。HE等[6]和KIM等[20]均認(rèn)為強(qiáng)吸附組分含量很少或者目標(biāo)組分含量遠(yuǎn)大于強(qiáng)吸附組分時(shí)，五區(qū)系統(tǒng)有較好的分離性能。

圖4 五區(qū)SMB系統(tǒng)[16-17]Fig.4 System of SMB in five zone[16-17]

2 半連續(xù)式SMB色譜

2.1 準(zhǔn)SMB色譜

圖5是日本Organo公司的專利技術(shù)，是一種準(zhǔn)SMB色譜系統(tǒng)，用于分離甜菜糖漿(蔗糖、葡萄糖、棉籽糖、甜菜堿等)中的棉籽糖[15]。該系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期分為兩步，第一步類似于四柱串聯(lián)的批處理色譜，進(jìn)料口和洗脫劑口開啟，中間組分流出，是一個(gè)開環(huán)結(jié)構(gòu)(圖5-a)。第二步類似于SMB系統(tǒng)，但是進(jìn)料口關(guān)閉，洗脫劑口、提取口、提余口開啟并按流動(dòng)相方向依次切換(圖5-b，僅示意第二步第一次切換位置)。在一個(gè)周期過程中，每一進(jìn)出口切換次數(shù)是不等的，進(jìn)料口每切換一次，循環(huán)回路中的提取口、提余口和洗脫劑口切換4次。

a-運(yùn)行周期一；b-運(yùn)行周期二圖5 準(zhǔn)SMB系統(tǒng)[15]Fig.5 System of pseudo SMB[15]

2.2 間歇式SMB色譜

間歇式SMB色譜是日本Nippon Rensui Corporation公司的專利技術(shù)，該技術(shù)是將進(jìn)出口切換時(shí)間t*分為兩段t1、t2(0

圖7是在五區(qū)(圖4)基礎(chǔ)上改進(jìn)的SMB色譜[16]，系統(tǒng)有2個(gè)洗脫劑進(jìn)口，3個(gè)分離物出口，而且洗脫劑沒有再循環(huán)利用，這些與常規(guī)SMB色譜不同，而與批處理色譜相似，但是在固定相逆向模擬流動(dòng)方面與SMB色譜是相似的。2個(gè)提取口E1、E2分別出強(qiáng)吸附組分A和中間組分B，但是2個(gè)提取口錯(cuò)時(shí)開啟，E2(B)(0

間歇式ISMB運(yùn)行模式趨向于更多分步，增加系統(tǒng)運(yùn)行的自由度，使系統(tǒng)運(yùn)行更趨優(yōu)化。色譜柱配置數(shù)量由多柱(8柱及以上)趨向于少柱(如2柱)，在滿足產(chǎn)品純度前提下，減少色譜柱數(shù)量，不但可以降低設(shè)備投資和運(yùn)行成本，也相對提高了系統(tǒng)生產(chǎn)能力。間歇式ISMB分離過程兼具SMB分離特點(diǎn)和批處理色譜特點(diǎn)，在洗脫劑消耗量不是關(guān)鍵約束條件下，ISMB更趨向于批處理色譜過程，在一定程度上可避免循環(huán)回路中組分交叉污染問題。

江南大學(xué)(專利技術(shù))設(shè)計(jì)6柱串聯(lián)模式(開環(huán)結(jié)構(gòu))，利用木糖、阿拉伯糖和半乳糖與鈣離子樹脂吸附力差異，分兩步將木糖發(fā)酵液中的木糖、阿拉伯糖和半乳糖分離出來[22]。兩步過程中系統(tǒng)均呈開環(huán)串聯(lián)模式，類似于批處理色譜，但每一循環(huán)固定相逆向模擬移動(dòng)與SMB色譜相同，因此具有批處理色譜和SMB色譜的特點(diǎn)。HUR等[19]用4個(gè)色譜柱(組成2個(gè)區(qū))分離3組分，B、C組分分離過程同SMB，而A、B組分分離過程同批處理色譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在產(chǎn)品純度和得率方面系統(tǒng)性能較好，但是洗脫劑耗量較大(D/F較高)。PARK等[23]從紅藻水解液(新瓊脂二糖、四糖、六糖、八糖及其他雜質(zhì)等)中分離新瓊脂六糖和新瓊脂八糖，采用Na+交換樹脂、配置三區(qū)(5柱)串聯(lián)開環(huán)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)運(yùn)行分兩步進(jìn)行，第一步色譜柱配置為2-2-1(D-F-R-E)；第二步色譜柱配置為1-2-2(D-E-F-R)。JO等[24]利用三區(qū)(5柱)SMB系統(tǒng)分兩步從脫脂微藻生物質(zhì)水解液中分離核糖。第一步色譜柱配置數(shù)量為(1-2-2)，第二步色譜柱配置數(shù)量為(2-2-1)。很明顯增加提純區(qū)和吸附區(qū)的色譜柱數(shù)量，是為了提高產(chǎn)品分離純度，但是也有學(xué)者認(rèn)為I區(qū)或者IV區(qū)利用率偏低，更趨向于三區(qū)3柱配置，與圖6運(yùn)行模式相比，差異僅僅是減少一個(gè)色譜柱[25-27]。

2.3 順序式SMB色譜

順序式SMB色譜是FAST(Finnsugar Applexion Separation Technology) 公司分離甜菜糖漿的專利技術(shù)[28]，發(fā)展至今已有多種相關(guān)專利和不同方案，改進(jìn)內(nèi)容主要在色譜柱(2-8柱)數(shù)量配置、循環(huán)順序設(shè)定、循環(huán)順序時(shí)間分配等方面。SSMB與常規(guī)SMB有很大的區(qū)別，它更近似于批處理色譜，尤其是常規(guī)SMB的2個(gè)特征(流動(dòng)相與固定相逆向流動(dòng)、提取物和提余物部分收集部分繼續(xù)循環(huán))SSMB都不具備。因此，有學(xué)者認(rèn)為SSMB稱為多柱再循環(huán)色譜(multi-column recycling chromatography, MCRC)可能更貼切[29]。SSMB包含進(jìn)料、洗脫、循環(huán)3個(gè)順序環(huán)節(jié)(圖8)，進(jìn)料后每個(gè)色譜柱至少經(jīng)過一次洗脫(單1柱，或2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)串聯(lián)柱)，洗脫產(chǎn)品(R1、R2、R3、R4、R5、R6)全部收集或全部進(jìn)入下一色譜柱循環(huán)。SSMB系統(tǒng)產(chǎn)品出口較多(如圖8 R1～R6)，一個(gè)周期內(nèi)分步也較多(圖8-a～圖8-d)，這取決于分離組分性質(zhì)和分離要求，分離組分越多，產(chǎn)品出口也越多，但是其中部分出口可能是同一產(chǎn)品，例如，HEINONEN等[29]分離木質(zhì)素濃酸水解液中的硫酸、單糖和乙酸，其中R1、R2、R4、R5均為硫酸，R3為單糖，R6為乙酸。LI等[30]利用4柱SSMB系統(tǒng)分離木糖和低聚糖混合液，僅有3個(gè)產(chǎn)品出口，分3步完成一個(gè)周期。SSMB產(chǎn)品從進(jìn)料柱直接分離出來有利于降低洗脫劑用量，內(nèi)循環(huán)使各組分充分調(diào)整，有利于降低洗脫劑用量，提高分離純度。

a-順序1；b-順序2；c-順序3；d-順序4圖8 四柱順序式SMB結(jié)構(gòu)圖(F為進(jìn)料，R1、R2、 R3、R4、R5、R6為產(chǎn)品，D為洗脫劑)[30]Fig.8 Configuration of sequential SMB with four columns[30]

3 梯度洗脫SMB(solvent gradient SMB，SGSMB)

SMB色譜與不同洗脫劑或者不同濃度的洗脫劑相結(jié)合，構(gòu)成SGSMB，對分離純化多組分生物發(fā)酵液有較好的效果。圖9是5區(qū)8柱結(jié)構(gòu)[31]。其中6柱用D洗脫劑，并構(gòu)成兩進(jìn)兩出三區(qū)SMB。0區(qū)和r區(qū)各一個(gè)色譜柱，0區(qū)用D0洗脫劑，r區(qū)用D洗脫劑，2個(gè)區(qū)流動(dòng)相獨(dú)立運(yùn)行，類似于2個(gè)獨(dú)立的批處理色譜。0區(qū)是將強(qiáng)吸附組分A用特異的洗脫劑D0洗脫下來。r區(qū)是將上一循環(huán)中用D0洗脫劑平衡的吸附劑再調(diào)整為D，其流出液為廢液(W)。r區(qū)稱為再平衡區(qū)，以備成為下一循環(huán)SMB三區(qū)之一柱。以4種脫氧核糖核苷酸混合液(dA、dG、dT、dC)為原料，體積分?jǐn)?shù)為12%乙醇為D0洗脫劑，體積分?jǐn)?shù)為1.5%乙醇為D洗脫劑，經(jīng)過理論模擬與實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)顯示具有較好的3組分分離性能[32]。

圖9 兩種洗脫劑SMB[31]Fig.9 SMB using two kind of desorbent[31]

圖10設(shè)置3個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)有數(shù)量不等的色譜柱(圖10配置為1-1-6)。

a-進(jìn)料；b-提純；c-回收 長箭頭為弱吸附組分C，短箭頭為強(qiáng)吸附組分A， 居中箭頭為中間組分B圖10 梯度洗脫SMB[33]Fig.10 SMB in solvent gradient[33]

系統(tǒng)運(yùn)行分3步：第一步為進(jìn)料(F)，第二步為提純(A/C)，第三步為回收(B)。2種洗脫劑(D1、D2)，當(dāng)D1濃度大于D2時(shí)，B組分在Ⅱ區(qū)的流動(dòng)速度大于在Ⅲ區(qū)的速度，結(jié)合固定相逆流效應(yīng)，包括Ⅲ區(qū)的B組分將被“捕獲”回Ⅱ區(qū)。Ⅲ區(qū)配置色譜柱數(shù)量明顯多于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，有利于“捕獲”更多的B組分。提純區(qū)的作用是進(jìn)一步分離出系統(tǒng)內(nèi)殘存的A組分和C組分，進(jìn)一步濃縮B組分[33]。STEINEBACH等[34]利用2柱MCSGP和線性梯度洗脫劑洗脫，分4步過程(2柱交替斷開與連接，形成柱色譜和逆向流動(dòng)色譜效果)將A-B混合液、B-C混合液分離，獲得A、B、C各組分。DE LUCA等[35]用此系統(tǒng)從工業(yè)合成混合液中分離胰高血糖素和藥劑肽等組分，與單一柱色譜比較，MCSGP在純度和回收率方面得到改善，但是生產(chǎn)率略有下降[36]。

4 討論與結(jié)論

自從SMB色譜分離技術(shù)發(fā)明以來，人們通過模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究[37-38]，在色譜柱配置和管路系統(tǒng)運(yùn)行方面成果顯著，如前面所述的串聯(lián)SMB結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)SMB、ISMB、SSMB、SGSMB等。在料液(包括進(jìn)料液、提取液和提余液)控制方面也有較多研究成果[39]，例如，BP-SMB(Bypass-SMB)模式[40]，在提取液中摻入部分進(jìn)料液以獲得低純度的產(chǎn)品(如高果葡玉米糖漿)；BF-SMB(Backfill-SMB)[41]模式和FeedCol-SMB(Feed Column SMB)模式等[42]，回流部分產(chǎn)品或者前置專用進(jìn)料色譜柱以調(diào)整進(jìn)料組分和濃度；還有將部分產(chǎn)品(巖藻糖、2,3-丁二醇)收集、部分放棄、部分再循環(huán)等綜合模式[43]。不可否認(rèn)，上述這些結(jié)構(gòu)或運(yùn)行模式存在著相互包容或者相似的現(xiàn)象，例如，LI等[30]認(rèn)為順序式SSMB包括ISMB，或者說，ISMB是省略了洗脫環(huán)節(jié)的SSMB。AGRAWAL等[15]和LEE等[44]認(rèn)為準(zhǔn)SMB是通用全循環(huán)(generalized full cycle, GFC)模式的一個(gè)特例。但是，上述模式為具體應(yīng)用提供了基本框架。

色譜柱數(shù)量直接影響著設(shè)備投資和分離質(zhì)量。在滿足產(chǎn)品分離和純度要求前提下，盡量減少色譜柱的數(shù)量或者在不同區(qū)配置不同數(shù)量的色譜柱(例如，少則0個(gè)，多則2個(gè)甚至8個(gè))[45]。有研究認(rèn)為，吸附劑再生區(qū)的利用率非常低，省略該區(qū)或者減少該區(qū)色譜柱數(shù)量也能達(dá)到分離要求。例如，配置3個(gè)色譜柱的方案可能只有I、II、III區(qū)或者II、III、IV區(qū)。也有研究認(rèn)為，當(dāng)洗脫劑消耗量并非關(guān)鍵性約束指標(biāo)時(shí)，減少洗脫劑再生區(qū)也是可行的[46]。批處理色譜是另一種無需洗脫劑再生的模式，洗脫劑不再循環(huán)利用，減少了色譜柱數(shù)量，也避免了循環(huán)交叉污染[47]。

細(xì)分進(jìn)出口切換時(shí)間是SMB改進(jìn)的最大亮點(diǎn)[25]。常規(guī)SMB進(jìn)出口切換時(shí)間間隔為t*，在0

綜上所述，SMB多組分糖液分離系統(tǒng)在分離純度、洗脫劑消耗量、回收率、生產(chǎn)率及設(shè)備投資與運(yùn)行成本等方面仍有較大的提升空間。通過理論優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，色譜柱配置數(shù)量更趨于少量化和各區(qū)數(shù)量靈便化。進(jìn)出口切換時(shí)間和順序更加細(xì)化，結(jié)合各組分前鋒位移信息，獲得更多組分的精準(zhǔn)分離。發(fā)揮批處理色譜和SMB色譜各自優(yōu)勢，在改進(jìn)方案中2種結(jié)合運(yùn)行模式越來越多。