模擬移動(dòng)床色譜分離甘露醇工藝

張前峰，王麗珍

(山東兆光色譜分離技術(shù)有限公司，山東 鄒平，256205)

甘露醇(mannitol)是山梨醇的同分異構(gòu)體，為白色透明狀固體，有類似蔗糖的甜味[1]。在醫(yī)藥領(lǐng)域，甘露醇是良好的利尿劑，能降低顱內(nèi)壓和眼壓，并作為治療腎病的藥劑[2]；因其具有無吸濕性、干燥快、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，可制成抗菌、抗癌藥物以及維生素等的片劑[3]；在食品領(lǐng)域，可用作低吸水性、低熱值的甜味劑[4]。隨著國家加大內(nèi)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的調(diào)控，甘露醇的價(jià)格與產(chǎn)量逐年呈上升趨勢(shì)。

當(dāng)前工業(yè)化生產(chǎn)結(jié)晶甘露醇主要有2種工藝[5]：一種是以果糖為原料，氫化以后轉(zhuǎn)化為甘露醇，然后經(jīng)過蒸發(fā)濃縮，2次降溫重結(jié)晶而得；另一種是以葡萄糖為原料，通過化學(xué)合成異構(gòu)、差向異構(gòu)與酶催化異構(gòu)等步驟，轉(zhuǎn)變成甘露糖，然后加氫轉(zhuǎn)化為甘露醇，再經(jīng)過3次降溫重結(jié)晶以及濃縮結(jié)晶生產(chǎn)結(jié)晶甘露醇。在目前的工業(yè)化生產(chǎn)中，結(jié)晶甘露醇主要以多次降溫重結(jié)晶的方式制備。該工藝存在的問題是：結(jié)晶過程會(huì)產(chǎn)生大量母液，由于母液的重復(fù)回配，導(dǎo)致雜醇不斷富集，繼而造成產(chǎn)品純度低、結(jié)晶收率低，導(dǎo)致獲得較高純度的甘露醇生產(chǎn)成本居高不下，企業(yè)難以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

模擬移動(dòng)床是近幾年興起的一項(xiàng)分離技術(shù)[6]。其原理是根據(jù)物料中組分的性質(zhì)差異達(dá)到分離的效果，一般可分為2組分色譜分離技術(shù)、3組分色譜分離技術(shù)以及多組分色譜分離技術(shù)等，其中3組分色譜分離技術(shù)是在2組分色譜分離的基礎(chǔ)上延伸與改進(jìn)的新型技術(shù)[7]，該技術(shù)通過對(duì)各種成分在固定相中運(yùn)行時(shí)間與運(yùn)行速度的控制，最終達(dá)到將3種組分分開的目的，不僅能夠有效去除雜醇，提高產(chǎn)品的結(jié)晶收率，還可以使物料中各種組分得到合理的利用，從而開發(fā)出多元化的產(chǎn)品。目前，隨著對(duì)模擬移動(dòng)床分離技術(shù)的研究，這種3組分色譜分離模式越來越受到人們的關(guān)注。本研究通過對(duì)模擬移動(dòng)床的3組分色譜分離系統(tǒng)中分離樹脂、各分離參數(shù)進(jìn)行研究和優(yōu)化，對(duì)模擬移動(dòng)床高效分離甘露醇的工藝進(jìn)行實(shí)踐和論證。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

甘露醇(含山梨糖醇、甘露醇、麥芽糖醇、雜醇等)，壽光天力藥業(yè)有限公司；色譜分離專用樹脂，Amberlite 99Ca310型、Amberlite 99K310型，杜邦生物化學(xué)公司。

1.1.2 主要儀器與設(shè)備

PHS-3C型pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；WAY-2S數(shù)顯阿貝折射儀，上海申光儀器儀表有限公司；HWS-28超級(jí)恒溫水浴鍋，上海一恒儀器有限公司；XPR106DUHQ/AC電子天平，梅特勒-托利多國際有限公司；SHZ-D(Ⅲ)真空抽濾泵，英峪予華儀器廠；UPHW-IV-90T純化水機(jī)，南京優(yōu)浦儀器設(shè)備有限公司； 1515高效液相色譜儀，美國Waters儀器公司；中試級(jí)示范性色譜設(shè)備(樹脂總裝填量3.5 m3，美國羅克韋爾控制系統(tǒng))，山東兆光色譜分離技術(shù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樹脂單柱分離甘露醇

首先使用純水洗滌實(shí)驗(yàn)用色譜樹脂，直至樹脂上部純水的電導(dǎo)率、pH值與實(shí)驗(yàn)所用純水的電導(dǎo)率、pH值相同；接著打開單柱上部的篩板，將樹脂緩緩倒入單柱中(裝填時(shí)速度不宜過快，避免在裝填時(shí)樹脂中產(chǎn)生氣泡)；樹脂裝填完畢后添加單柱上部篩板，然后用甘露醇主物料收縮樹脂2次以上，盡量減少樹脂裝填的“死體積”；然后使用恒溫水浴鍋對(duì)單柱進(jìn)行預(yù)熱升溫，待單柱溫度升至60 ℃后，開啟循環(huán)泵，在運(yùn)行壓力0.3 MPa，流速1.8 mL/min條件下進(jìn)樣，一般進(jìn)樣量為10 mL，記錄流出液體積；待物料進(jìn)樣完畢，從柱下取樣口取樣測定甘露醇濃度，待甘露醇出樣時(shí)開始收集樣品，確保每份收集樣的量約為4 mL，檢測樣品的折光率和組成成分。待其折光達(dá)到0%時(shí)，停止樣品收集。以出樣體積為橫坐標(biāo)，各種成分的相對(duì)濃度為縱坐標(biāo)，繪制單柱評(píng)價(jià)曲線圖，并計(jì)算樹脂對(duì)甘露醇的分離度，并由此定性定量該樹脂對(duì)甘露醇物料各組分的分離效果。

1.2.2 中試級(jí)色譜分離操作工藝流程

中試色譜示范型裝置的操作包括系統(tǒng)試漏、樹脂裝填、系統(tǒng)預(yù)熱、參數(shù)調(diào)節(jié)等部分，具體操作內(nèi)容如下：首先對(duì)色譜柱進(jìn)行保壓試漏工作，排查系統(tǒng)閥門、管道存在的漏點(diǎn)；然后用隔膜泵裝填實(shí)驗(yàn)所用的樹脂。樹脂裝填完畢，啟動(dòng)“預(yù)熱”程序，用熱水對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升溫，在溫度到達(dá)預(yù)設(shè)值以后，輸入初步的運(yùn)行參數(shù)；然后開啟色譜系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行功能。當(dāng)程序運(yùn)行完一個(gè)周期，溫度壓力都達(dá)到穩(wěn)定以后，再把色譜進(jìn)料罐中的純水換成原料，色譜正式進(jìn)料；并從8 h后開始取樣分析色譜出料的濃度及組成，此后間隔4 h取樣，繼續(xù)跟蹤出料濃度以及純度變化，并最終將運(yùn)行參數(shù)調(diào)至最佳。

1.2.3 甘露醇中各個(gè)組分含量的測定

采用面積歸一法測定各組樣品含量。首先利用標(biāo)準(zhǔn)樣品確定各糖醇的保留時(shí)間，然后用各糖醇的峰面積與所有色譜峰的總面積比值，計(jì)算各成分的相對(duì)含量。液相條件為：柱溫85 ℃；示差檢測器溫度為40 ℃；進(jìn)樣量10 μL；流動(dòng)相為超純水，流速0.6 mL/min；色譜柱為Sugar Park-1(7.8 mm×300 mm)。

1.2.4 結(jié)晶甘露醇的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，主要采用多次降溫結(jié)晶的方式來制備高純度的結(jié)晶甘露醇。即通過結(jié)晶不斷提高甘露醇的純度，最終獲得高純度結(jié)晶甘露醇，其工藝流程如圖1所示。

圖1 結(jié)晶甘露醇的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Flow chart of traditional production process of crystalline mannitol

傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)結(jié)晶甘露醇的具體操作如下：

首先配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%葡萄糖溶液，然后加入催化劑七鉬酸銨(按照葡萄糖干基0.02%～0.3%的比例)，在溫度100～110 ℃，pH 3.0～3.5的條件下，異構(gòu)90 min，得到甘露糖含量30%左右，葡萄糖含量69%左右的混合液。其次將混合液打入脫色罐，加入0.5%(干基比)的活性炭進(jìn)行脫色，經(jīng)板框過濾后，進(jìn)入離交系統(tǒng)進(jìn)行精制處理。在離交液進(jìn)入異構(gòu)酶反應(yīng)罐后，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.003 6% MgSO4和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.011%的NaNO2以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%～0.06%的葡萄糖異構(gòu)酶，在55～60 ℃條件下進(jìn)行異構(gòu)，得到葡萄糖40%，甘露糖30%，果糖30%的混合液；異構(gòu)混合液先進(jìn)行脫色、離交，然后再濃縮至濃度55%進(jìn)入反應(yīng)釜；以雷尼鎳作為催化劑，在溫度120～140 ℃，壓力4.5～8 MPa的條件下，進(jìn)行氫化反應(yīng)，得到含量42%左右的甘露醇混合液；最后經(jīng)過2次冷結(jié)晶與一次蒸發(fā)結(jié)晶得到純度99%以上的結(jié)晶甘露醇，而純度10%左右的甘露醇母液則從系統(tǒng)中外排。

1.2.5 模擬移動(dòng)床色譜分離甘露醇的方法

模擬移動(dòng)床色譜分離技術(shù)能把2種或者多種性質(zhì)相似或相近的物質(zhì)分開，因而受到企業(yè)的青睞，而3組分色譜分離技術(shù)就是在此基礎(chǔ)上延伸開發(fā)出來的。該工藝不僅體現(xiàn)了當(dāng)今清潔生產(chǎn)的新理念，還為客戶開發(fā)多元化產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。3組分色譜分離制備結(jié)晶甘露醇的工藝流程如圖2所示。

圖2 三組分模擬移動(dòng)床色譜分離制備結(jié)晶甘露醇工藝流程圖Fig.2 Flow chart for preparation of crystalline mannitol by three component simulated moving bed chromatography注：AD為慢組分；BD為中間組分；CD為快組分

新型工藝生產(chǎn)結(jié)晶甘露醇的具體操作如下：首先將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、純度為41%的甘露醇，通過模擬移動(dòng)床色譜系統(tǒng)進(jìn)行分離，可獲得3種不同的組分。其中AD相為慢組分，主要為純度90%的山梨醇；BD相為中間組分，主要為純度85%以上的甘露醇；CD相為快組分，主要為純度10%以下的雜醇。其中，AD相可以進(jìn)入日化級(jí)山梨醇系統(tǒng)，生產(chǎn)日化級(jí)山梨醇產(chǎn)品；而CD相先通過RO膜處理，透析出的純水可以回到色譜進(jìn)水罐進(jìn)行利用，而濃相則進(jìn)入山梨醇系統(tǒng)，生產(chǎn)日化級(jí)山梨醇。其次，色譜分離所得BD相，先經(jīng)過蒸發(fā)濃縮至濃度50%，然后注入結(jié)晶罐進(jìn)行熱結(jié)晶；結(jié)晶所得物料通過絞龍機(jī)輸送至離心機(jī)進(jìn)行離心；離心后的出料通過沸騰干燥劑制成結(jié)晶甘露醇成品；而離心以后的母液則可以回到色譜前罐進(jìn)行二次利用。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種不同樹脂單柱評(píng)價(jià)甘露醇分離效果

2.1.1 鈣型樹脂Amberlite 99Ca310對(duì)甘露醇的分離

表1為鈣型樹脂Amberlite 99Ca310分離甘露醇的單柱評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

該樹脂的單柱評(píng)價(jià)曲線如圖3所示。在圖3中，橫坐標(biāo)表示2種組分流出液的體積，縱坐標(biāo)表示2種組分流出液的質(zhì)量百分比。此外，分離度代表樹脂對(duì)物料中2種不同組分的分離效果，分離度越高，分離效果越好。通過對(duì)曲線圖中甘露醇與山梨醇色譜峰的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測量，將測定的數(shù)值代入分離度公式，鈣型樹脂對(duì)2組分的分離度按公式(1)計(jì)算：

表1 鈣型樹脂分離甘露醇的單柱評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)Table 1 Experimental data of single column evaluation of mannitol separation with calcium type resin

續(xù)表1

圖3 鈣型樹脂單柱評(píng)價(jià)甘露醇流出液體積與濃度曲線圖Fig.3 Chart of volume and concentration of mannitol effluent evaluated by single column calcium type resin

(1)

式中：R，分離度；V山，山梨醇從質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%至最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的流出液體積；V甘，甘露醇從質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%至最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的流出液體積；W1/2山，山梨醇色譜峰半峰寬的寬度；W1/2甘，甘露醇色譜峰半峰寬的寬度。

圖3中各組分對(duì)應(yīng)的半峰寬以及流出液體積關(guān)系如圖4所示。根據(jù)圖4中測量的數(shù)值，R=(93-83)/(18+30)=0.208，即山梨醇與甘露醇的分離度為0.208。

圖4 鈣型樹脂分離度計(jì)算示意圖Fig.4 Schematic diagram for calculation of separation of calcium type resin

2.1.2 鉀型樹脂Amberlite 99K310對(duì)甘露醇的分離實(shí)驗(yàn)

鉀型樹脂Amberlite 99K310分離甘露醇的單柱評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 鉀型樹脂分離甘露醇的單柱評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)Table 2 Experimental data of single column evaluation of mannitol separation with Potassium type resin

續(xù)表2

該樹脂的單柱評(píng)價(jià)曲線如圖5所示。

圖5 鉀型樹脂單柱評(píng)價(jià)甘露醇流出液體積與濃度曲線圖Fig.5 Chart of volume and concentration of mannitol effluent evaluated by single column potassium resin

采用與鈣型樹脂分離度相同的計(jì)算方式來計(jì)算鉀型樹脂對(duì)2種組分的分離度。通過對(duì)分離度曲線圖中甘露醇與山梨醇色譜峰的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測量，即可以計(jì)算出甘露醇對(duì)山梨醇的分離度。曲線圖中各組份對(duì)應(yīng)的半峰寬以及流出液體積值如圖6所示。根據(jù)圖6數(shù)據(jù)，R=(70-66)/(16+17)=0.121，即山梨醇與甘露醇的分離度為0.121。

圖6 鉀型樹脂分離度計(jì)算示意圖Fig.6 Schematic diagram for calculation of separation of potassium type resin

通過對(duì)以上2種樹脂的單柱評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論：

從出料濃度的角度分析：采用鈣型樹脂，甘露醇組分最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.1%；采用鉀型樹脂，甘露醇組份最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.57%。鈣型樹脂對(duì)甘露醇的吸附效果要優(yōu)于鉀型樹脂。從洗脫液用水量的角度分析：采用鈣型樹脂，洗脫液用水量為60 mL；采用鉀型樹脂，洗脫液用水量為40 mL。鉀型樹脂用水量要少于鈣型樹脂。從分離度的角度分析：采用鈣型樹脂分離度為0.208；采用鉀型樹脂分離度為0.121。鈣型樹脂對(duì)山梨醇與甘露醇的分離度要大于鉀型樹脂。

綜上所述，除洗脫液用水量以外，在出料濃度與分離度指標(biāo)方面，鈣型樹脂都優(yōu)于鉀型樹脂；而用水量指標(biāo)可以通過運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以最終選擇鈣型樹脂作為分離介質(zhì)。

2.2 色譜分離純化甘露醇優(yōu)化的工藝參數(shù)

利用3組分模擬移動(dòng)床色譜分離工藝，不但可以去除混合體系中雜醇(此處為山梨醇)、純化甘露醇，而且能夠獲得日化級(jí)山梨醇產(chǎn)品。分離參數(shù)及優(yōu)化指標(biāo)見表3～表5。

表3 色譜出料慢組分(AD液)指標(biāo) 單位：%

表4 色譜分離中間組分(BD液)指標(biāo) 單位：%

表5 色譜分離快組分(CD液)指標(biāo) 單位：%

在色譜分離過程中，受色譜進(jìn)料組成不穩(wěn)定的影響，色譜出料的各個(gè)組分始終處于波動(dòng)狀態(tài)，由表3～表5可知，主產(chǎn)品甘露醇純度為85.86%，收率為93%，雜糖醇收率85%以上。由此可見，色譜分離工藝具有很好地回收主產(chǎn)品以及去除雜糖醇的能力。

2.3 兩種生產(chǎn)工藝指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益比對(duì)

對(duì)甘露醇的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和本文研發(fā)的3組分模擬移動(dòng)床工藝的工藝指標(biāo)和生產(chǎn)過程的成本(經(jīng)濟(jì)效益)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表6。

表6 同種物料情況下2種生產(chǎn)工藝出料指標(biāo)對(duì)比單位：%

表6反映了在同種物料的條件下，傳統(tǒng)工藝與色譜分離工藝出料產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比表。傳統(tǒng)的結(jié)晶工藝主產(chǎn)品甘露醇的純度為80.88%，山梨醇純度為17.96%，麥糖醇純度為1.16%，說明山梨醇始終是在主產(chǎn)品這邊富集，采用傳統(tǒng)的結(jié)晶工藝，山梨醇與雜糖醇很難去除。而采用色譜分離工藝，主產(chǎn)品的純度能達(dá)到85%以上，山梨醇純度降到13.84%，雜糖醇純度能降到0.21%，說明采用色譜分離工藝，甘露醇的純度提高，山梨醇與雜糖醇的含量降低，色譜收率以及后道工序的結(jié)晶收率大大提高。

年產(chǎn)1萬t結(jié)晶甘露醇經(jīng)濟(jì)效益分析見表7。按照傳統(tǒng)結(jié)晶生產(chǎn)1 t結(jié)晶甘露醇需要消耗2.3 t原料、15 t水、5.5 t蒸汽，用電約700 kWh。折合后可得，采用此工藝生產(chǎn)1 t結(jié)晶甘露醇成本約為8 730元；而采用模擬移動(dòng)床分離工藝，折合價(jià)格后，生產(chǎn)1 t結(jié)晶甘露醇成本約為8 575元，生產(chǎn)成本明顯下降。

表7 以年產(chǎn)1萬t結(jié)晶甘露醇為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析Table 7 Analysis of economic benefits taking crystalline mannose annual output of 10 000 t as an example

根據(jù)表7中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，從生產(chǎn)成本上來講，色譜分離工藝比傳統(tǒng)的結(jié)晶工藝節(jié)省成本155元；以年產(chǎn)1萬t結(jié)晶甘露醇為例，利用色譜分離技術(shù)，每年可以降低的運(yùn)行成本為155萬元。從長遠(yuǎn)利益來講，隨著人工費(fèi)用的增加，采用色譜工藝每年可節(jié)省275萬元。由此可見，采用色譜工藝的成本較傳統(tǒng)工藝明顯降低。綜上所述，無論從設(shè)備投資、占地面積、自動(dòng)化程度以及工藝路線上來講，采用色譜工藝代替結(jié)晶工藝都具備很大的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

在甘露醇制備工藝中，雜醇的積累是影響結(jié)晶甘露醇收率高低的關(guān)鍵因素。本文采用色譜分離技術(shù)，不但解決了雜醇山梨醇的積累問題，而且可以使中間產(chǎn)品純度提升5%，收率提升3%，在提高純度和收率的同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。該新型色譜工藝可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的3次降溫結(jié)晶，可以一步將物料純度從41%提升至85%以上；同時(shí)，通過色譜系統(tǒng)將物料中雜醇從AD與CD相進(jìn)行外排從而避免雜醇對(duì)后續(xù)結(jié)晶的影響，使得結(jié)晶收率與產(chǎn)品質(zhì)量大大提高。

本文通過模擬移動(dòng)床色譜技術(shù)對(duì)甘露醇的分離進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該工業(yè)化色譜分離技術(shù)是可行的。本研究結(jié)果可為類似產(chǎn)品通過3組分模擬移動(dòng)床色譜技術(shù)的分離提供參考方法和數(shù)據(jù)支持，有利于我國糖醇加工產(chǎn)業(yè)的深化發(fā)展和企業(yè)生產(chǎn)工藝的轉(zhuǎn)型升級(jí)。