模擬移動床色譜在多組分糖液分離中的研究應用進展

模擬移動床(simulated moving bed, SMB)色譜是20世紀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，具有處理量大、產(chǎn)品純度高、洗脫劑耗量低等諸多優(yōu)點。在隨后數(shù)十年中，先后在制糖業(yè)、食品、制藥和精細化學工業(yè)等領域得到推廣應用[1-3]。常規(guī)SMB色譜由若干個色譜柱、泵和進出口閥門等管件構成4個區(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個進出口按一定時間間隔沿流動相流動方向同步移動，從而形成固定相逆向移動的虛擬效果(圖1)[4-5]。

實線-快組分B；虛線-慢組分A；D-溶劑或洗脫劑
圖1 常規(guī)模擬移動床(SMB)色譜結構與濃度分布曲線[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A為強吸附，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)隨流動相從提余口R流出；而強吸附A(慢組分)隨固定相逆向移動，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的一個短板[6]。設A為強吸附(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)運行參數(shù)(如流動相流速，固定相流速或者進出口切換時間、色譜柱高度或者數(shù)量、固定相表面性質等)。當KA、KB比較接近，并明顯大于KC時，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柱改進型SMB(modified SMB)。半連續(xù)是指間歇進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，實線為中間組分B，細虛線為慢組分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色譜可以相對獨立運行。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，形成一個貫通的流動回路，使各區(qū)的流動速度、進出口切換時間等運行參數(shù)形成關聯(lián)體。

串聯(lián)SMB方案較完整地保留了SMB的技術優(yōu)點，但是設備投資大(至少8個色譜柱)，運行與維修成本高[11]，實際應用較少[12]。LEE[13]借鑒多組分塔板精餾結構和原理，設計了一種平行雙層區(qū)SMB結構。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個區(qū)，因此，系統(tǒng)復雜性和設備成本方面仍然是制約其應用的因素。

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個提余口流出。五區(qū)系統(tǒng)比SMB色譜系統(tǒng)僅增加一個區(qū)，卻完成了兩組SMB色譜的分離任務，設備投資和運行維修費用低，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，強吸附組分往往會污染中間組分，使A、B兩組分純度下降[11]。通過降低流動相速度，可以改善A、B分離困難問題，但是也降低了生產(chǎn)能力。采用交替開啟和關閉產(chǎn)品出口的方法，使重疊區(qū)(A-B)進一步調(diào)整，A-B分離效果得到改善[18]。HUR等[19]認為只有中間組分分離系數(shù)與強吸附組分分離系數(shù)差別足夠大時，才能獲得高純度的中間組分。HE等[6]和KIM等[20]均認為強吸附組分含量很少或者目標組分含量遠大于強吸附組分時，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SMB色譜

圖5是日本Organo公司的專利技術，是一種準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)運行一個周期分為兩步，第一步類似于四柱串聯(lián)的批處理色譜，進料口和洗脫劑口開啟，中間組分流出，是一個開環(huán)結構(圖5-a)。第二步類似于SMB系統(tǒng)，但是進料口關閉，洗脫劑口、提取口、提余口開啟并按流動相方向依次切換(圖5-b，僅示意第二步第一次切換位置)。在一個周期過程中，每一進出口切換次數(shù)是不等的，進料口每切換一次，循環(huán)回路中的提取口、提余口和洗脫劑口切換4次。

a-運行周期一；b-運行周期二
圖5 準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，該技術是將進出口切換時間t*分為兩段t1、t2(0<t1<tp, tp<t2<t*)，形成間歇式進料和間歇式出料的運行模式，因此，有學者認為用ISMB表示可能更契合該技術實際情況[21]。圖6-a所示為第一段t1(0<t1<tp)，2個進口和2個出口均開啟，其運行模式與常規(guī)SMB相似。與常規(guī)SMB不同的是，第一段僅有3個區(qū)，而從III區(qū)流出的液體全部流入提余口，不再循環(huán)，因此，第一段是一個開環(huán)結構。由于減少了一個區(qū)(IV)，降低了系統(tǒng)運行壓力，或者同樣壓力下增大了流量(處理量)。第二段t2(tp<t2<t*)，4個區(qū)串聯(lián)，分離出強吸附組分A。由于各區(qū)流速相等，系統(tǒng)運行相對簡捷(圖6-b)。上述ISMB系統(tǒng)，第一段分離出中間組分B和弱吸附組分C，第二段分離出強吸附組分A，其運行模式也稱為3S-ISMB(3 strong ISMB)；如果第一段分離出強吸附組分A和中間組分B，第二段分離出弱吸附組分C，其運行模式稱為3W-ISMB(3 weakest ISMB)[9]。比較2種模式，3S-ISMB要求強吸附組分與中間組分選擇系數(shù)差別應足夠大，否則分離性能很差。而3W-ISMB模式對各組分選擇系數(shù)差異無明顯要求，但是其進出口切換和運行參數(shù)更復雜。

a-第一段t1(0<t1<tp)；b-第二段t2(tp<t2<t*)
圖6 間歇式SMB系統(tǒng)[9]
Fig.6 System of ISMB[9]

圖7是在五區(qū)(圖4)基礎上改進的SMB色譜[16]，系統(tǒng)有2個洗脫劑進口，3個分離物出口，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方面與SMB色譜是相似的。2個提取口E1、E2分別出強吸附組分A和中間組分B，但是2個提取口錯時開啟，E2(B)(0<t<tp)先開啟， E1(A)(tp<t<t*)后開啟，呈間歇式出料。tp是2個提取口的切換時間，其設定依據(jù)是A組分開始解吸脫落時刻。理論與實驗研究表明，該系統(tǒng)配置相對簡單，但是洗脫劑耗量大，適合于易分離的混合液[16]。

圖7 改進的五區(qū)SMB[16]
Fig.7 Modified SMB in five zone16]

間歇式ISMB運行模式趨向于更多分步，增加系統(tǒng)運行的自由度，使系統(tǒng)運行更趨優(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，不但可以降低設備投資和運行成本，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分離特點和批處理色譜特點，在洗脫劑消耗量不是關鍵約束條件下，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(專利技術)設計6柱串聯(lián)模式(開環(huán)結構)，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與SMB色譜相同，因此具有批處理色譜和SMB色譜的特點。HUR等[19]用4個色譜柱(組成2個區(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。實驗結果表明在產(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)結構。系統(tǒng)運行分兩步進行，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，但是也有學者認為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運行模式相比，差異僅僅是減少一個色譜柱[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[28]，發(fā)展至今已有多種相關專利和不同方案，改進內(nèi)容主要在色譜柱(2-8柱)數(shù)量配置、循環(huán)順序設定、循環(huán)順序時間分配等方面。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個特征(流動相與固定相逆向流動、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，有學者認為SSMB稱為多柱再循環(huán)色譜(multi-column recycling chromatography, MCRC)可能更貼切[29]。SSMB包含進料、洗脫、循環(huán)3個順序環(huán)節(jié)(圖8)，進料后每個色譜柱至少經(jīng)過一次洗脫(單1柱，或2個、3個、4個串聯(lián)柱)，洗脫產(chǎn)品(R1、R2、R3、R4、R5、R6)全部收集或全部進入下一色譜柱循環(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個產(chǎn)品出口，分3步完成一個周期。SSMB產(chǎn)品從進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結構圖(F為進料，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合，構成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柱結構[31]。其中6柱用D洗脫劑，并構成兩進兩出三區(qū)SMB。0區(qū)和r區(qū)各一個色譜柱，0區(qū)用D0洗脫劑，r區(qū)用D洗脫劑，2個區(qū)流動相獨立運行，類似于2個獨立的批處理色譜。0區(qū)是將強吸附組分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，體積分數(shù)為12%乙醇為D0洗脫劑，體積分數(shù)為1.5%乙醇為D洗脫劑，經(jīng)過理論模擬與實驗研究，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設置3個區(qū)，每個區(qū)有數(shù)量不等的色譜柱(圖10配置為1-1-6)。

a-進料；b-提純；c-回收 長箭頭為弱吸附組分C，短箭頭為強吸附組分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)運行分3步：第一步為進料(F)，第二步為提純(A/C)，第三步為回收(B)。2種洗脫劑(D1、D2)，當D1濃度大于D2時，B組分在Ⅱ區(qū)的流動速度大于在Ⅲ區(qū)的速度，結合固定相逆流效應，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)的作用是進一步分離出系統(tǒng)內(nèi)殘存的A組分和C組分，進一步濃縮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 討論與結論

自從SMB色譜分離技術發(fā)明以來，人們通過模型計算和實驗研究[37-38]，在色譜柱配置和管路系統(tǒng)運行方面成果顯著，如前面所述的串聯(lián)SMB結構、準SMB、ISMB、SSMB、SGSMB等。在料液(包括進料液、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)品或者前置專用進料色譜柱以調(diào)整進料組分和濃度；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，上述這些結構或運行模式存在著相互包容或者相似的現(xiàn)象，例如，LI等[30]認為順序式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]認為準SMB是通用全循環(huán)(generalized full cycle, GFC)模式的一個特例。但是，上述模式為具體應用提供了基本框架。

色譜柱數(shù)量直接影響著設備投資和分離質量。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，多則2個甚至8個)[45]。有研究認為，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)量也能達到分離要求。例如，配置3個色譜柱的方案可能只有I、II、III區(qū)或者II、III、IV區(qū)。也有研究認為，當洗脫劑消耗量并非關鍵性約束指標時，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]。

細分進出口切換時間是SMB改進的最大亮點[25]。常規(guī)SMB進出口切換時間間隔為t*，在0<t<t*時間段內(nèi)，系統(tǒng)具有5個獨立變量(即進出口切換時間，4個區(qū)的流動相速度)。如果在0<t<t*范圍內(nèi)不斷增加細分時段，從細分2步增加到4步甚至更多步，系統(tǒng)獨立變量從5個增加至24個[15,39,48]。細分進出口切換時間，使系統(tǒng)運行更趨完善，達到精準預測和控制各組分的前鋒位置，降低組分間交叉污染程度[32]。

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)率及設備投資與運行成本等方面仍有較大的提升空間。通過理論優(yōu)化和實驗驗證，色譜柱配置數(shù)量更趨于少量化和各區(qū)數(shù)量靈便化。進出口切換時間和順序更加細化，結合各組分前鋒位移信息，獲得更多組分的精準分離。發(fā)揮批處理色譜和SMB色譜各自優(yōu)勢，在改進方案中2種結合運行模式越來越多。