模拟移动床文献翻译

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1、1姓名：王方 学号：2011021816 专业：应用化学 运用具有记忆效应的色谱柱组成模拟移动床分离氨基酸对映体运用具有记忆效应的色谱柱组成模拟移动床分离氨基酸对映体 Markus Fuereder, Sven Panke, Matthias Bechtold摘要 替考拉宁苷元手性柱在有水作为流动相的条件下能分离氨基酸对映体，加水时考虑到了氨 基酸的水溶性。因此这种固定相可以作为需要大量进样的制备规模的手性分离提供一个选 择。然而，在现实的 SMB 系统中，当注入大量的氨基酸溶液后，柱子的记忆效应是一个需 要进一步考量的因素。将注入大量的氨基酸溶液前后的色谱柱的保留时间进行对比可以看 出，大量

2、的样品溶液可以活化色谱柱，提高样品的保留时间。这种记忆效应可以通过大量 的不含溶质的流动相冲洗色谱柱来消除。明显地，在设计 SMB 系统的操作参数时，绘制吸 附等温线时必须考虑到这种记忆效应。在这篇文章中，我们运用一种微扰法来描述 SMB 系 统中固定相的这种现象。根据由此画出的吸附等温线确定了 SMB 的操作条件，我们发现根 据模型计算出的纯度与实验得到的纯度吻合较好，证明这种吸附等温线可以很精确的描述 SMB 系统的运行特点。连续三天的 SMB 操作得到了较为稳定的产品纯度（除了由于温度的 改变导致的纯度波动外）证明在活化状态下的吸附行为是不随时间而改变的，用这些柱子 组成模拟移动床进行长

3、期稳定的 SMB 操作在理论上是可行的。1， 简介 在过去的几十年中，模拟移动床在精细化学和药物化学手性分离方面已得到广泛的应用。 具有更高手性选择性的固定相已经商品化，大量的寿星化合物运用 SMB 系统成功分离。 多亏有了更加有效的理论工具如三角形理论、计算机控制的过程模型的发展，才能更加直 接的通过吸附等温线设计 SMB 的操作条件。 在精细化学中，运用系统分离外消旋氨基酸是非常重要的一环，由于氨基酸不溶于 正相流动相，所以对手性固定相的选择提出了一些挑战，而且流动相中必须含有大量的水。 在这篇文章中，大患糖肽手性固定相，尤其是替考拉宁和替考拉宁苷元作为手性选择剂， 有大量的氨基酸得到有效

4、分离的例子，因此其是一种非常诱人的分离氨基酸的手性固定相。以前我们详细调查了这种替考拉宁苷元手性固定相是否适合于 SMB 系统手性分离。我们 发现 TAG 柱显示出记忆效应，说明了色谱柱的吸附行为依赖于柱子过去的载样量。简单 地说，就是色谱柱用大量的样品溶液过载前后的保留时间是不同的。 在所有分离的氨基酸以及所有分离条件下，都观察到这种现象。尤其是在分离甲硫氨酸时， 后出峰组分的保留时间的偏移可以达到 25%。有趣的是，在过载之后的色谱柱选择性比过 载前要好，证明用大量的溶质冲洗色谱柱可以活化固定相。当用大量的不含溶质的流动相 冲洗色谱柱后，它的吸附行为缓慢回到初始状态，因此这种记忆效应是可逆

5、的。然后，大 量的氨基酸在 SMB 系统循环的吸附脱附证实在这种 SMB 操作在理论上是可行的。 然而，当设计用 TAG 柱分离氨基酸的 SMB 系统时，由于在过载和再生情况下色谱柱的区 别很大，因此必须考虑记忆效应。如图 1 所示。有记忆效应的色谱柱偶尔有过报道，尤其 在多糖手性柱中，在这种情况下，吸附行为的改变是由于流动相的改变引起，而不是由溶 质引起，这为 SMB 的设计提供了更加全面的考虑。这篇文章的目的是（）寻找一个合 适的吸附等温线的方法，能够描述这种具有记忆效应的 SMB 系统（）证实用这种具有 记忆效应的色谱柱组成 SMB 系统是可以长期稳定操作的。2图 1 （a）严重过载情形

6、下的流出曲线 （b）用 40ug/L 的甲硫氨酸平衡前后流出曲线2， 理论 2.1 微扰法 在竞争吸附等温线的绘制中，尤其是对映体手性分离中，微扰法是一种非常好的方法。简 单的来说，它是基于确定组成的溶质溶液形成平台，然后通过少量的溶质溶液对这种平台 进行扰动，在不同的溶质浓度和流动相浓度下，在流出曲线上会产生一些正的峰或负的峰。 在对映体洗脱时，在流出曲线上会形成两个峰，通过保留时间以及下式（1）中的两个根， 可以推断出吸附等温线中的吸附参数。其中 C1和 C2分别为对映体在流动相中的浓度，q1 和 q2为对映体在固定相中的浓度。0 )()()()()(122112112221221 CqC

7、qCqCq CqdCdC dCdC（1） 求出公式（1）的两个根后，带入公式（2）中，ijjjiii dCdCCq dCdq 21)2 , 1 (i（2）微扰法中各组分的保留时间可以通过下面的公式用柱子的死时间表示，Rit0t)11 (0 ii RidCdqtt)2 , 1 (i（3） 然后，在已知吸附等温线类型的情况下，相应的吸附参数可以通过上述式子推断出来。 在这种情况下，我们采用双吸附竞争型吸附等温线，吸附为点和有相同的吸附容量。2221212 2 2121111 111CbCbCbqCbCbCbqqii sii si)2 , 1 (i（4） 2.2SMB用三角形理论选择 SMB 系统的

8、操作点，全分离区域是二带三带流速，的函数。J 区2m3m3的流量可以通过算出来，切换时间，床层空隙率，柱的体积 V 和额外柱体积jQjm*tDjV*)1 (tVVVmQDjj j)4,.,1( j（5）如果想要了解图的细节和三角形理论，请参考 Mazzotti 的工作。为了快速确定可32mm 分离区域，可以使用简捷算法。单次的 SMB 运行可以用文献【21】描述的具体的 SMB 模 型。这个具体的 SMB 模型考虑到了（）浓度曲线随时间的动态发展（）每一种对映 体的具体的动力学数据（）在 SMB 系统中具体的柱的构象。3， 实验 3.1化学试剂 除了特别标明，甲硫氨酸，醋酸铵和其他试剂都来自

9、Roth 公司（瑞士）或者是 Sigma- Aldrich 公司（瑞士） 。乙腈来自 Chemie Brunschwig（瑞士） 。所有的有机溶剂都是色谱级 的。去离子水是用一台 TKA-Genpure 机器制的的。 3.2色谱柱 我们用一根（100mm4.6mm,ID） ，粒径为 5um 的色谱柱用于分析。五根制备柱 （100mm10mm，ID）用的是 16um 的粒径床层。这些色谱柱都来自 Sigma-Aldrich 公司 （瑞士） 。制备柱在使用之前都已经被不同程度的使用过。 3.3分析 所有分析实验包括吸附等温线的绘制都是在 22 度时在一台使用二极管阵列检测器的安捷伦 1100 高效

10、液相色谱仪上进行的。使用含重氢的水合折光检测器来测定柱子的死时间。定量 测定 L-甲硫氨酸和 D-甲硫氨酸使用的分析方法是 90/10%(v/v)50nmol 醋酸铵 pH=6.0/甲醇 作为流动相，流速 1.5ml/min。 3.4微扰法 微扰法的步骤是用已知浓度的样品溶液来逐步饱和色谱柱，然后进行微扰实验。微扰实验 是通过注入 10uL 的与平台浓度不同的样品溶液完成。分别记录 0-12g/L 的对映体溶液的 15 个浓度平台的微扰保留时间。在这篇文章中用到不同的浓度平台组合。其中“中间平台 法”是（单位为 g/L 的对映体甲硫氨酸）：0/8/2/8/1.6/8/1.2/8/0.8/8/0

11、.4/8/0.2/8/0.16/8/0.12/8/0.08/8/0.04/8/0.02/8/0/8/4/ 8/12/8/0；“无中间平台法”： 0/2/1.6/1.2/0.8/0.4/0.2/0.16/0.12/0.08/0.04/0.02/0/8/4/12/0；“从低到高法”： 0/0.02/0.04/0.08/0.12/0.16/0.2/0.4/0.8/1.2/1.6/2/4/8/12/0；“从高到低法”： 12/8/4/2/1.6/1.2/0.8/0.4/0.2/0.16/0.12/0.08/0.04/0.02/0。补充材料里有一个图解说 明和一个关于浓度平台的表格。 在进行微扰实验之前

12、，每个色谱柱都用 50/50(v/v)的 50mmol 醋酸铵/乙腈用 4ml/min 的流 速活化 30min。然后用 90/10(v/v)50mmol 醋酸铵/甲醇冲 15min。 3.5SMB 系统的建立和实验 SMB 系统是基于一个改装的 AKTA 基本系统，有两台 P-900 泵单元，五个多通阀，一个紫外 /可见检测器组成。一个泵单元用来提供进料和流动相，另一个泵用来提取液和提余液的流4速。每一个泵都与一个多通阀连接。第五个多通阀将提取液从四带中导出来。每两个柱子 之间都有一个止回阀都是用来正确引导流动相的流向的。SMB 系统是由相同的单元组成的， 每个单元如图 2 所示。图 2 系

13、统单个柱系统的构造系统每个部分的额外的柱体积由每个区的柱数决定，一个柱的额外柱体积为 0.1mL。提余 液的浓度用 235nm 的紫外光检测。一旦达到平衡状态，提取液和提余液的纯度就可以测量 了。到达平衡状态的时间通过具体的 SMB 模拟来进一步确认。每个样品都收集两个循环的 量，然后用 HPLC 进行定量分析。流出速率通过收集另外一段时间的流体然后称量计算得到。 进入系统的料液在输送进去之前都要经过脱气处理。另外，在进入 SMB 系统前，所有料液 还要经过一个在线脱气装置。我们用一个改进版本的 UNICORN 软件来控制泵系统，多通阀 系统和检测器系统。在 SMB 系统运行之前，这个系统用

14、50/50(v/v)的 50mmol 醋酸铵/乙腈 用 4ml/min 的流速活化 30min。SMB 系统的运行用两个流动相组成方案：90/10 和 75/25(v/v)50mmol 醋酸铵/甲醇组成。每种方案下，进料为 10g/L 的外消旋甲硫氨酸溶解 于相应的流动相中。所有的 SMB 操作都在 1-2-1-1 的柱分布系统下进行。 3.6模拟和拟合步骤 为了通过微扰法获得吸附等温线，我们运用了基于模型的实验方法。通过优化演算法来缩 小实验与模型的数据的差距，来获得实验参数。这个优化过程通过 MATLAB 软件来完成，通 过优化方程“fminsearch”来确定有最小偏差的参数。这些 SM

15、B 模型在 MATLAB 上实行。 4， 结果和讨论 当 SMB 系统中运用具有由溶质引起的记忆效应的柱子时，可以做两个假设：（）在一 定时间的操作之后，吸附行为的发展仍然没有大的变化（）可以用一个合适的吸附等温 线来描述这种 SMB 的稳定状态。我们首先假设第二点成立，然后我们可以在此基础上在一 个比较合适的操作点确认第一点的正确性。 4.1方法的发展 只有考虑到热力学和动力学的对色谱过程的精确描述，才能比较好的设计 SMB 的模型和操 作条件。当质量转移比较慢时，会引起流出浓度曲线的展宽，进而会影响分离情况。原则 上，记忆效应引起的保留时间偏移可以认为是吸附等温线和质量转移动力学的共同作用

16、的 结果。然而，有一些推论证明后者没有改变多少。首先，保留时间的偏移并不能用质量转 移动力学做一个合理的解释，因此可以推断出吸附等温线是是记忆效应的主要来源。其次， 最初的浓度流出曲线与再生后柱子的流出曲线差异很小，显示出质量转移动力学并没有发 生大的改变。根据再生柱子的浓度曲线做出范第姆特曲线也进一步证明了之前的操作是非5常正确的。在如此高的塔板数的情况下，在 SMB 系统中的质量转移阻力适中，然后 SMB 的 运行对质量转移的轻微变化并不敏感。然后，就可以假设，从再生的柱子获得的质量转移 动力学对活化状态的柱子的描述也是很精确的。 4.1.1绘制吸附等温线的方法的选择 吸附等温线有一系列不同的绘制方法，每一个都有各自的优点和缺点。当存在这个特殊的 具有记忆效应的柱子时，需要研究固定相的性质，这样才能在绘制吸附等温线之前确定类 似 SMB 的状态。这就限制了对那些基于浓度平台的测定方法