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1、模拟移动床色谱（SMBC）,前 言,SMBC原理,SMBC的应用,SMBC的发展前景,SMBC评价指标,前 言,模拟移动床(SMB)色谱分离技术是20 世纪60 年代发展起来的一 种现代化分离技术, 具有分离能力强, 设备体积小, 投资成本低, 便于实现自动控制并特别有利于分离热敏性及难以分离的物系等优点, 在制备色谱技术中最适用于进行连续性大规模工业化生产。 SMB 技术的兴起是化工技术中的一次革新, 其应用范围也不断扩大, 遍及石油、精细化工、生物发酵、医药、食品等很多生产领域, 尤其在同系化合物、手性异构体药物、糖类、有机酸和氨基酸等混合 物的分离中显示出其独特性能。,推动模拟移动床色谱
2、研究的力量，源自于手性药物市场的需求。但是，随着生命科学的发展，人们越来越认识到，外消旋体药物中对应异构体的错误使用是一种严重的药物污染，其毒副作用有时可能比具有医药活性的对映体的疗效要大得多。“反应停”悲剧就是一个典型的案例。“反应停”的R-构型是一种有效的镇静剂，而其S-构型却是一种强致畸剂，孕妇服用后产生了1万多起畸胎悲剧，被称为“20世纪最大的药物灾难”。,这些具有不同药理作用的外消 旋体药物就像两种药物，只有将其分为两种单一的对映体，才能对症下药。在手性药物研发中，为满足用纯对映体进行生物活性测试、毒性研究和临床试验的需要，一般而言需要1Kg左右的单一对映体药物。与手性药物的化学拆分
3、法、酶法拆分、不对称合成等方法相比，模拟移动床色谱具有周期短、成本低、风险小、分离效率高、固定相利用率高、流动相循环使用、自动化连续操作等优势，已被国际上公认为制备规模拆分手性药物 的最有效手段。,模拟移动床色谱原理,图1 SMB工作原理图,1-a,1-b,对于传统的单柱色谱, 假设是一个两组分 分离体系, 当脉冲进样后用适当的溶剂洗脱时就产生如图1-a 的效果: 一个物质移动慢, 另一个物质移动快, 当色谱柱足够长时两者将最终分开。这与龟兔赛跑的情形相似, 两者的距离会越落越远。,如果假设龟兔赛跑的跑道是会逆向移动的, 并且移动速度介于龟与兔之间, 这样就好像是龟在往后走, 兔在往前走。最终
4、龟与兔分别从跑道的两头下来, 如图1-b 所示。,图2 移动床色谱示意图,移动床分成4 个区域, 原料(A+ B, A 为弱吸附组分, B为强吸附组分) 从、区之间连续进入, 流动相由下往上移动, 固定相以介于A 和B 之间的速度向下移动, 最终从两个出口可以分别得到纯的提取液(Extract)B 和提余液(Raffinate) A。图2中Q1 Q4分别为区 的流动相流量; Qr, Qf, Qe, Ql 分别为提余液流量、进样流量、提取液流量、洗脱液流量; Q 为固定相流量。,分离过程中, 由于固定相是以一定速度往下移动的, 因此待分离组分将不会像在单柱色 谱中那样随流动相往同一方向移动。只要
5、适当控制固定相的移动速度, 弱吸附组分A 将往上移动, 而强吸附组分B 将往下移动。当系统运行一段时间后, 系统中组分的浓度分布将是稳定的。,模拟移动床的技术指标,a.与设备结构有关的指标 1. 色谱柱数量 SMB 的色谱柱数量是指分离单元的总数量。理论上柱数越多, 分离越精细, 主产品纯度越高。但柱数越多, 系统的结构越复杂, 反而易造成其它性能指标的下降。 2.柱长、柱径、柱压降 SMB的柱数确定后, 增大柱径是增大进料量的有效途径。但柱径增大会造成流速的径向滞后, 以及出现流速分布不均匀, 从而造成谱带展宽, 直接结果是主产品含量降低。,为克服柱径增大引起的柱效下降的问题, 一般需要增加
6、柱长。当填充均匀时, 理论上柱效与柱长成正比。因柱压降也与柱长成正比, 所以柱长增加也带来柱压降增大。因此, 实际的柱效并不完全与柱长成正比。 柱压降与柱结构、泵动力和分离剂粒径有关。相同的柱结构, 分离剂粒径越小, 柱压降越大。一般柱压降为 0.02M Pa /m。分离剂粒径小,对分离效果有利。,b.与分离效果有关的指标 1. 分离强度 单位时间内一定体积的分离剂能处理的原料的干物重, 称为分离强度。不同的分离剂, 对相同物质的分离, 其分离强度是不同的。同样地, 相同的分离剂, 对不同物质的分离, 其分离强度也不同的。分离强度并不是越高越好, 实际应用中尚需考虑其他如浓 度、运行成本等综合
7、指标。,2.分离纯度和分离浓度 由于不同物质的性能不同, 或原料进料时的含量不同, 所以不同物质的分离纯度有所区别。 分离液保持比较高的浓度, 可降低后处理的能耗。在进料进解吸剂比例相同的情况下, 进料浓度越高, 出料浓度就会越高, 相应浓缩或蒸馏需要的能耗就越低。,3.料剂比 料剂比是评价SMB的重要指标之一, 也是影响分离能力的关键。模拟移动床运行时, 每一升原料液, 需要加入的解吸剂 的量越小, 表示模拟移动床分离效果越好。,模拟移动床色谱应用,1.模拟移动床色谱技术在石油化工领域中的应用 1969 年美国 UOP 公司将模拟移动床色谱技术用于分离对二甲苯和间二甲苯；同时 UOP 公司还
8、将该技术应用于其他工业级的石油产品的分离过程中。如：对甲苯酚和间甲苯酚的分离，从 C8 芳香族化合物中分离乙苯，从煤油 C4 烯烃混合物中分离丁烯 - 1，从蒎烯混合物中分离 - 蒎烯等。,我国于 20 世纪 70 年代初开始引进的对二甲苯吸附分离技术，到目前，我国石油化工系统已陆续引进了近 10 套模拟移动床吸附分离生产装置，吸附剂总装填量约 4 000 t，吸附剂也全部由国外进口。利用模拟移动床技术可以实现石油化工分离的连续性，提高产品纯度和收率，使原料、副产品得到充分利用，同时能耗也大幅度下降。,2.模拟移动床色谱技术在糖醇分离中的应用 SMB 早期主要应用在制糖工业上，在糖醇分离中果糖
9、与葡萄糖的分离，可能是目前制糖工业分离中规模最大的，也是起步最早的。这是一个典型的二组分分离，因此利用 SMB 的优势也非常明显。 利用 SMB 分离果葡糖浆的工艺已有成熟的工业化实例，该分离通常是选择一种 Ca 型的阳离子交换树脂作为固定相，利用去离子水作为洗脱剂，由于果糖和 Ca 离子形成一个复合体而被阻流在柱中，而葡萄糖和其他寡糖则被洗脱剂带走。含果糖 42%的果葡糖浆利用模拟移动床色谱分离后，流出液果糖纯度为 95%99%，回收率在 90%以上；残液中葡萄糖的纯度在 90%以上。,利用 SMBC 技术进行糖的分离，不仅节约了树脂、洗脱剂用量，提高了生产自动化程度，而且过程中的排污很少，
10、实现了清洁生产，有利于环保。当前国内外已有年产万吨果糖的成套商品化设备。模拟移动床色谱技术还广泛用于其他糖类的生产中，在其他单糖的分离中，如木糖和阿拉伯糖以及木糖和葡萄糖的分离。此外从二糖中分离单糖或是不同二糖之间的分离也是人们感兴趣的研究应用 之一。,3.其他行业的应用 氨基酸具有重要的生物、药物和营养价值,工业生产中一般采用发酵法生产。由于氨基酸是一种热敏性生化物质, 传统的分离手段如蒸馏、吸附、萃取、结晶、沉降分离等在其分离中受到限制, 而色谱吸附分离过程无需热再生, 能耗低, 分离效率高且适应性强。已利用 SM B技术进行分离的产品有赖氨酸、苯丙氨酸与色氨酸等。,SMB 在制药行业的应
11、用主要是用于分离手性药物、生物药物和天然药物。 手性药物种类繁多, 对其的吸附分离要比石化系统中的异构体分离和糖业中的不同糖类分离复杂得多。 国外已有采用串联SMB 对发酵生产的胰岛素进行分离提纯工艺; 国内也有用改进的 SMB 分离抗生素替考拉宁。 中药和天然药物作为药物的重要来源, 已经受到各国研究人员的重视。对于中药和天然药物中有效成分的分离提纯, SM B将会起到重要的作用。,国内模拟移动床分离技术的发展前景,近年国内SMB的主要应用领域仍将会是石化行业和糖醇行业。但精细化工行业和制药行业的应用前景不容忽视。 对于精细化工行业和制药行业上使用的小型化SMB, 要解决以下三个问题: 减小分离体积、寻找和选择合适的吸附剂、提高产品浓度和纯度。以上三个技术难题得以解决, 模拟移动床技术在药物和手性化合物上的分离将会得到很好应用。,国内SMB的研发工程师们有两件事情要解决和完善：一是自行研究生产大型 SMB, 以解决石化系统长期从国外进口问题。就目前国内SM B的设备生产水平和自动化控制水平来说, 完全可以生产百万吨级的 SMB, 替代进口产品。石化工厂所用的非亲油型分离剂国内也已经可以大规模生产。关健在于应用环节, 使用厂家应转变观念, 推广使用价廉实用而服务又很到位、及时的国内产品；二是SMB 小型化, 以便能得心应手的应用于药物和手性化合物的分离。,
