模拟移动床色谱拆分 D-塔格糖和D-半乳糖的模拟研究

苏 齐，李 会，査小玲，徐 进

（温州大学 化学与材料工程学院，浙江 温州 325035）

模拟与计算

模拟移动床色谱拆分 D-塔格糖和D-半乳糖的模拟研究

苏 齐，李 会，査小玲，徐 进

（温州大学 化学与材料工程学院，浙江 温州 325035）

模拟移动床色谱操作参数的模拟和优化对实际分离生产具有重要的指导意义。本文采用平衡扩散模型，对模拟移动床色谱分离 D-塔格糖和 D-半乳糖进行了模拟研究，根据三角形理论确定了其最佳操作参数，并考察了各区柱数配置、切换时间和分离区流量等变化对分离效果的影响，验证了模拟移动床操作参数的敏感性和模型建立的必要性。

模拟移动床色谱；D-塔格糖；D-半乳糖；分离模拟

模拟移动床（Simulation Moving Bed, SMB）色谱[1,2]是由美国环球油品公司(UOP)开发的一种连续分离技术，是一种利用吸附原理进行分离的传质设备。模拟移动床色谱可以实现连续操作，提高分离效率的同时可以降低溶剂的消耗。模拟移动床色谱以其显著的优点，得到了迅速的发展，尤其在手性药物的拆分方面受到广泛关注[3]。但模拟移动床色谱工艺较为复杂，操作参数多，如切换时间、各区流量和色谱柱数目等[4]，需借助计算机对其分离过程和操作参数进行模拟、设计和优化[5]。

D-塔格糖是一种六碳糖，自然界中存在量少，是 D-半乳糖的异构体。常用 D-半乳糖为底物通过化学法或者生物法进行异构反应生产 D-塔格糖，提纯分离是工艺生产中至关重要的环节。本文的目的是通过模拟移动床色谱分离 D-塔格糖和 D-半乳糖的研究对模拟移动床色谱操作参数的敏感性进行分析。

1 SMB 理论基础及其数学模型

图1为模拟移动床色谱原理示意图，采用典型的四区开环结构，由8根色谱柱组成，在各区平均分配（2/2/2/2）。本文的目的是通过沿流动相流动方向周期性的切换物料进出口位置，以进料口为基准使固定相与流动相朝着相反的方向运动[6]。SMB 分为四个区，各自的功能不同。Ⅱ区和Ⅲ区为分离区，Ⅰ区为固定相再生区，Ⅳ区为液相再生区。强吸附组分 A 和弱吸附组分 B 的混合溶液由进料口（Feed）进入系统，强吸附组分A被固定相吸附而跟随色谱柱切换逆时针朝萃取口（Extract）运动；弱吸附组分 B被液相解析而随流动相顺时针朝萃余口（Raffinate）运动。合理设置模拟移动床色谱参数，可以实现 A 和 B 的完全分离，并分别在萃取口和萃余口收集高纯度的A和B溶液。

图 1 SMB 工作原理图Fig.1 Schematic of SMB unit

本文采用平衡扩散模型（Equilibrium Dispersive Model，简称 ED 模型）进行 SMB 分离过程的物料衡算。ED模型方程式为：

式中：ci,j，qi,j— 分别为第 j根色谱柱内组分 i在流动相和固定相中的浓度;

ε —色谱柱孔隙率;

u —流动相的线速度;

D —表观扩散系数;

t,z —分别为时间和色谱柱轴向坐标;

A,B—分别为强吸附组分和弱吸附组分。

色谱柱内流动相浓度与固定相内的浓度之间关系，通过吸附模型方程联系起来。本文选择在线性范围内对色谱分离的条件进行分析，D-塔格糖和D-半乳糖的线性吸附等温线的方程[7]如下：

D-塔格糖的线性吸附等温线为：

D-半乳糖的线性吸附等温线为：

初始条件描述了实验开始前色谱柱的初始状态，可写为式子（5）：

边界条件如式子（6）～（8）:

各区间的流量关系，如式（9）～（13）：

上式中 QD, QE, QF, QR和 Qw分别为洗脱液、萃取液、进料溶液和萃余液和废液流量，mL•min-1；QI， QII，QIII， QVI为 各 区 流 动 相 的 内 部 流 量 ，mL•min-1。

2 SMB 模拟

为衡量SMB的拆分效果，定义如下函数：组分 A（D-塔格糖）的纯度：

组分A的回收率：

组分 B（D-半乳糖）的纯度：

组分B的回收率：

为了定量说明 SMB 分离效果对操作参数的敏感性，我们将从各区柱数配置、切换时间和分离区流量三个方面对SMB分离过程进行模拟优化。

2.1 各区柱数（χ）配置的影响

本论文所使用的是 SMB 8 柱开环系统，SMB的分离核心是色谱柱，各根色谱柱的工作原理相同，但其在每个区的作用不同，Ⅱ区和Ⅲ区起到主要的分离作用，以Ⅱ区和Ⅲ区柱数配置为考察重点，在进出口流量及切换时间一定的情况下，改变各区柱数。各区柱数（χ）配置与其对应的出口纯度和回收率见表 1。一定范围内增加分离区的柱数有利于提高分离效果，从模拟结果看要使分离区柱数不小于再生区柱数。

2.2 切换时间（ts）的影响

以切换时间 ts为变量，保持其他操作参数恒定，考察切换时间对分离效果的影响，结果如图2、3所示。随着切换时间的增加，强吸附组分A的纯度和回收率都逐渐增加，当 ts=6.43 min 时，A 组分的纯度达到 100%，回收率达到 99.93%；继续增加切换时间，组分A纯度保持不变，但回收率逐渐下降。弱吸附组分B的变化趋势与组分A恰好相反。

表 1 各区柱数配置对分离效果的影响Table 1 Effect of columns distribution on purity and recovery

图 2 切换时间对纯度的影响Fig.2 Effect of switching time to purity

图 3 切换时间对回收率的影响Fig.3 Effect of switching time to recovery

2.3 Ⅱ区和Ⅲ区流量对纯度和回收率的影响

分别改变Ⅱ区和Ⅲ区的流量，保持其余区的流量不变，其对 SMB 分离效果的影响如图 4、5 所示。

在一定范围内考察Ⅱ区和Ⅲ区的流量的变化对分离效果的影响，从上图可以看出Ⅱ区流量的变化对A组分的回收率和B组分的纯度几乎无影响；A组分的纯度和B组分的回收率随着流量的增加逐渐增加，直至达到最佳分离效果并保持恒定。Ⅲ区的流量变化对A组分的回收率和B组分的纯度有较为显著的影响。由于 SMB 系统各区的流量相互影响，为达到最佳的分离效果，需协同考虑各区流量的设置。

图 4 Ⅱ区流量对分离的影响Fig.4 Effect of flow-rate in section Ⅱ to separation

图 5 Ⅲ区流量对分离的影响Fig.5 Effect of flow-rate in section Ⅲ to separation

3 结 论

本文采用能够真实反映 SMB 分离过程的色谱柱模型和吸附模型，对 D-塔格糖和 D-半乳糖混合物进行了分离模拟研究。确定了其最佳分离参数，并对各区柱数配置、切换时间和分离区的流量变化对分离效果的影响进行了探讨。SMB 周期性的切换时间和分离区的流量对分离效果的影响较大；各区柱数的配置对分离也有一定的影响，保证分离区的柱数不小于再生区的柱数是达到最佳分离效果的前提。本文以 D-塔格糖和 D-半乳糖为分离体系，对SMB 的操作参数进行设置和优化，对其他体系的拆分具有一定的参考价值。

［1］ 林炳昌．模拟移动床色谱技术[M]. 北京：化学工业出版社, 2007．

［2］ 李凌，井元伟，袁德成．模拟移动床吸附分离技术及其应用[J]．计算机与应用化学，2007,24(4):441-444．

［3］D.B.Broughton. Production-scale adsorptive separation of liquid mixture by simulated moving bed technology[J].Separation Science and Technology,1984,19:723-726．

［4］Yu W F, Hidajat K, Ray A K. Modeling, simulation, and experimental study of a simulated moving bed reactor for the synthesis of methyl acetate ester[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2003, 42(26): 6743-6754．

［5］A.Rajendran, G.Parade, M.Mazzotti. Simulated moving bed chromato graphy for the separation of enantiomers[J]. Journal of chromatogr aphy A, 2009,1216(9):709-738．

［6］ 孙玉高，来梦龙，徐进等.模拟移动床色谱拆分酮洛芬对映体的模拟研究[J]．广州化工，2013,41(9):55-57．

［7］ 周慧君，孙玉高，徐进.SP0810 色谱柱上 D-塔格糖和 D-半乳糖Henry 常数的测定[J].应用化工,2013,42(5):965-967．

Simulation Study on Separation of D-tagatose and D-galactose in Simulated Moving Bed

SU Qi，LI Hui，ZHA Xiao-ling，XU Jin
（College of Chemistry and Material Engineering, Wenzhou University, Zhejiang Wenzhou 325035, China）

The simulation and optimization of simulated moving bed (SMB) operation parameters are significant for the practical application. In this paper, the equilibrium-dispersive mode was used to simulate the SMB process for the separation of D-tagatose and D-galactose. The optimal operating parameters were determined by the triangle theory. And effects of column distribution ,switching time and flow-rate in section Ⅱand Ⅲ on the separation efficiency were investigated.

Simulated moving bed; D-tagatose; D-galactose; Simulation

TQ 028.9 标识码： A

： 1671-0460（2014）07-1379-03

浙江省科技计划项目，项目编号：2010R10043。

2014-06-26

苏齐（1988-），男，安徽阜阳人，硕士研究生，主要从事模拟移动床色谱分离研究工作。E-mail：wzusuqi@163.com。

徐进（1973-），男，讲师，博士，主要从事分离过程和多功能反应器的研究。E-mail：xujin@wzu.edu.cn。