模拟移动床讲义.ppt

工业制备色谱系列讲座（1）,郑永杰 二○○四年九月,模拟移动床色谱简介,2017/9/15,目 录,第一章 引言 第二章 移动床色谱简介 第三章 模拟移动床色谱简介 第四章 模拟移动床色谱应用,,,,工业制备色谱是近年来发展速度迅猛的技术手段，在高附加值的制品制备和大工业规模的生产应用上都有很多建树 制备色谱柱子的内径可以can be range from 6mm to 1600mm etc. 单从色谱柱的内径及容量对制备色谱进行分类已经是非常有局限性的做法因为今天的制备色谱模式已经很多，再次不进行具体的讨论简单地说在分类上目前除了经典的单柱制备色谱外，已经发展了工业复合再循环色谱、环状柱连续色谱、径向色谱、高速逆流色谱、超临界流体色谱、双柱切换系统、移动床、模拟移动床色谱,第一章 引言,,,,,,,,,等等非常多的制备手段工业制备色谱按操作方式的不同又可分为间隙色谱和连续色谱两大类 模拟移动床（Simulative Moving Bed）技术就是一种连续逆流制备色谱它是在20世纪50年代后期提出的，60年代初由美国的UOP公司使之商业化并创建了Sorbex系列的SMB工艺，从此之后SMB作为一种工业制备技术取得了长足的发展。

SMB早期主要应用在大型石化工业和制糖工业上直到近年来SMB进入了一个新发展它被用于药物化合物的分离上，并且逐步进入了其它的应用领域例如精细化工、化妆品和香料工业等 模拟移动床色谱是相对于真实移动床色谱（True moving bed）而言，在真实移动床中固体和流体相对运动，,,,,,固体的磨损消耗严重而且需要颗粒回收及输送设备，这就导致了运行费用的急剧增长模拟移动床的出现很好地解决了这些问题，它将多根较短的色谱柱首尾相联而成一个环，给定一个切换时间，周期性地把进样点位置和采出点位置沿着流动相的运动方向向前移动，这样一个柱一个柱的推进，如此循环，就模拟出了固定相和流动相间的相对移动 SMB根据其结构特点可以分为三带、四带和五带 理论模型 近年来很多人利用理论模型来模拟SMB的分离过程，为此人们根据不同的假设提出了不同的模型常见的有以下几种 （1）平衡理论模型 它是适于非线性色谱的最简单模型，是Wilson在40年,40年代提出的此理论不考虑传质阻力和轴向扩散的影响，假设传质能在瞬间达到平衡数学表达式略 （2）塔板理论模型 它是马丁(Martin)在1941年在其著名论文中提出了塔板理论。

它将色谱分离与精馏过程类比，把色谱柱看成是由一系列小的“理论板”组成该理论也没有考虑轴向扩散和传质速率有限性的影响数学表达式 （3）柱塞流模型 它是一种属于动力学理论的模型，它既考虑了轴向扩散和传质阻力，又考虑了非线性吸附的影响，是一种极为严格的、与SMB实际过程符合最好的模型数学表达式略图1 移动床色谱示意图,,图2 UOP移动床色谱分离流程图,,图3 模拟移动床色谱示意图,柱名称：600*1000 20u Capcell C18法兰式填充柱用途：用于以65%EPA为原料，进行99%EPA的分离，年产量：10吨（12--14h/day，250WD/Y）柱效：18000填充量：单柱填充 UG80 C18 20u填料170公斤图4工业制备色谱,,,,,Novasep Prochrom LC.1600.4000.VE50. Column diameter = 160 cm Bed length = 378 cm Particle size = 50 μm Solvent flow rate = 14,000 L/hr Solvent viscosity = 0.6 cP Bed external porosity = 0.35 Bed volume = 7,600 L Mass of silica = 3,800 kg Bed dead volume = 5,700 L Theoretical elution pressure = 20 ba Column Pressure=25-28 bar,图5 大规模工业制备色谱柱,,,,,A complete preparative HIPERSEP unit includes the Column Skid, the Solvent Delivery Module and the Automation & Control Unit. The equipment is adapted to the process requirements and the conditions at the Customer's site. Typical features such as gradient mode (either digital or analogue), temperature control, multiple detection, etc., are commonly provided. The characteristics of some standard units are given in the table. Any type of column design (pressure rating, the configuration, etc.) can be made.,HIPERSEP,,,,,,,,,,,,,,,Table1 PREPARATIVE HPLC COLUMNS,,,,,,,,,,,,,Table2 HPLC SYSTEMS,,,,,第二章 移动床色谱简介,色谱对不同组分进行分离，主要是利用各种组分在色谱柱中的迁移速率不同来完成的．考虑两种组分A和B的分离，其中B比A更容易在固定相上吸附，因而B在色谱中迁移速率要比A小．如果让固定相以一个介于A，B两种组分迁移速率之间的速度与溶剂作反向运动，这样A，B两种组分就会分别由固定相和溶剂携带向相反的方向移动，从而完成A与B的分离．这就是移动床色谱的基本构想．图4是一个移动床色谱示意图，固定相和溶剂分别向相反的方向循环流动，在进样点处A与B的混合物连续进样，B和 A的纯组分分别在两个采出点连续采出。

图4中移动床色谱被进样点、两个采出点以及溶剂进样点分隔成4个分区，,各个分区分别完成不同的功能．分区IV主要用来吸附多余的没有采出的组分A；分区皿主要吸附组分B；分区11用来洗脱组分A；分区I主要用来洗脱没有采出的组分B． 移动床色谱虽然有可连续操作和分离效果好的特点，但是在实际操作中实现固定相的流动非常困难，而引人模拟移动床思想就能够很好地解决固定相实际流动困难的问题．它可以在固定相不动的情况下，通过一定的切换序列，模拟出固定相和溶剂间相对流动的效果A+B,,,,B,A+B,,A,B,A,B,A,B,A,B+A,A,B,第一次上样,第二次上样,···,第 n 次上样,图6 固定床色谱二组分分离示意图,,,,,图7 移动床色谱分离原理示意图,,,,,下面这张图片能形象地解释TMB(真实移动床)的原理 乌龟代表样品中跑得慢的组分，兔子代表样品中跑得快的组分履带代表色谱柱中的固定相履带不动的话，兔子跑在前、乌龟跑在后如果履带本身有一个向后的速度，比兔子慢、乌龟快的速度的话，兔子能跑到上样点前面，乌龟被甩到上样点后面这样就能连续不停的上样（乌龟兔子），连续不停的分离，收集这就是TMB(True Moving Bed)。

图8 移动床色谱分离原理示意图,思考题：关于加入一只猎兔犬的问题？,,,,,第三章 模拟移动床色谱简介,模拟移动床色谱把一个长的色谱柱分成若干小的色谱柱，各柱之间首尾相连，由进样点、两个采出点以及洗脱液输入点把所有的色谱柱分成了4组（分区）t为给定的一个切换时间，选择好进样点、两个采出点和溶剂输入点，在经过了t时间后各点分别沿着溶剂流动的方向，向下一个柱子推移，这样循环往复就形成了固定相向相反方向的虚拟流动，从而实现了与真实移动床色谱相近的分离效果． 按照上述模拟移动床色谱的工作原理，把小色谱柱组装成简易的模拟移动床色谱装置，如图6所示．简便起见，,没有画出所有的色谱柱，而是把各分区的柱子合在一起以一个柱子表示，其他柱子的连接方式与其相同进料和洗脱液由泵打入系统中，各柱之间由一个开关阀和一个单向阀连接．进料和洗脱液通过开关阔在上端进入色谱柱，柱子的下端分别与两条采出线相连图9 模拟移动床色谱分离原理流程图,,,,,图10 移动床色谱分离工业设备流程图,,,,,图11 移动床色谱分离浓度分布,,,,,与真实移动床（True Moving Bed,缩写TMB ）不同，模拟移动床（Simulative Moving Bed，缩写SMB）中的固定相实际上是固定不动的，而在模拟移动床（SMB）中,履带（固定相）向后的相对速度靠进样口、出样口向前的切换移动来实现。

这是通过阀切换来改变每次上样的位置，以此模拟柱床在空间上向后移动的效果 在模拟移动床分离双组分的龟兔赛跑模型中，跑道实际上是不动的只是每次每对儿参加比赛的龟兔的起跑位置（相当于SMB中的上样位置）在变化，即总是位于跑道上的龟兔之间的位置，龟兔都向前跑动，只是速度不同如图所示这样就相对造成跑道向后移动的空间效果并且使得龟兔始终能分开图12 模拟移动床色谱分离原理示意图,,,,,第四章 模拟移动床色谱应用,工业手性药物大规模拆,,,,,,,,1.工业化应用于建造每套10万吨规模的从C8链烃混合物中分离对二甲苯的装置；从支链和环状烃烯中分离直链烃等 2.从玉米糖浆中分离果糖有机酸药品及同分异构化合物的提纯但SMB的主要缺点是所得到的产品液的浓度低于进料液的浓度而在生化工业中几乎所有发酵液中的产品浓度都很低 (0.1%~10%)这给SMB技术在生化领域中的应用带来了困难，Ching和Ruthven曾经开发了可获取高浓度产品的非等温操作SMB系统， 3.从柠檬酸发酵母液中分离柠檬酸 目前，国内柠檬酸行业还都是采用钙盐沉淀法精制柠檬酸，少数厂家采用吸交法精制要实现连续的高效的低成本的低污染精制工艺，采用逆流色谱的模拟移动床技术是很有潜力的方案之一。

工业手性药物大规模拆 手性药物的大规模拆分一直是国内外制药行业研究的热点课题，国家色谱中心在这方面作了大量的工作具体可以参见有关文献工业手性药物大规模拆分,,。