萬紅貴，張波，汪文進(jìn)，王文娟，繆玲玲

(南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京，210009)

模擬移動(dòng)床(simulated moving bed，SMB)的設(shè)計(jì)脫胎于真實(shí)移動(dòng)床(true moving bed，TMB)，最早由美國環(huán)球油品公司(UOP)于20世紀(jì)60年代開發(fā)并應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，工藝被稱為Sorbex;后來又開發(fā)了不少新的SMB系統(tǒng)，并逐漸應(yīng)用到精細(xì)化工、藥物分離和生物技術(shù)等領(lǐng)域，目前研發(fā)的重點(diǎn)集中到了高純度的產(chǎn)品，但產(chǎn)量較小。為了對(duì)相應(yīng)的模擬移動(dòng)床系統(tǒng)進(jìn)行最佳的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，達(dá)到高純度、高生產(chǎn)率、低溶劑量的要求，研究人員又提出了各種不同的理論設(shè)計(jì)方法，如 Marco mazzotti等人的三角理論法，Wang等人的駐波設(shè)計(jì)法等。近些年來隨著人們對(duì)于產(chǎn)品的精度、生產(chǎn)率、產(chǎn)量及生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性有了更高的要求，針對(duì)傳統(tǒng)的模擬移動(dòng)床工藝操作過程提出了一些新的概念，如 powerfeed，varicol，modicon 等，并設(shè)計(jì)出了諸如三區(qū)開環(huán)SMB，五區(qū)SMB，單柱四區(qū)SMB等新式SMB系統(tǒng)，并取得了較好的效果。

1 模擬移動(dòng)床(SMB)原理

在真實(shí)移動(dòng)床(TMB)中，液相與固相會(huì)做相對(duì)移動(dòng)，如圖1b所示，但是由于固相移動(dòng)困難，固體顆粒磨損，液化，低效等一系列的問題而阻礙了它的發(fā)展與大范圍應(yīng)用，并在一定程度上催發(fā)了模擬移動(dòng)床(SMB)的出現(xiàn)。模擬移動(dòng)床通過周期性(切換時(shí)間ts)改變進(jìn)出口的位置而模擬出與真實(shí)移動(dòng)床同樣效果的液固相連續(xù)逆流，如圖1a所示。

圖1 模擬移動(dòng)床與真實(shí)移動(dòng)床的原理示意圖

由圖1可以看出，SMB和TMB都可以分成4個(gè)區(qū)，I區(qū)，II區(qū)，III區(qū)，IV區(qū)，不同之處在于SMB系統(tǒng)這四個(gè)區(qū)的固相并不發(fā)生實(shí)際的移動(dòng)而TMB系統(tǒng)中固相與液相會(huì)發(fā)生實(shí)際的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但是在SMB系統(tǒng)中每隔ts時(shí)間段2個(gè)進(jìn)口和2個(gè)出口都會(huì)發(fā)生一次位置變動(dòng)，推進(jìn)方向一致，每次變動(dòng)都是跨越一個(gè)區(qū)，從而模擬出固相與液相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。以兩組份混合物A(強(qiáng)吸附組份)，B(弱吸附組份)為例，Q1，Q2，Q3，Q4分別為4個(gè)區(qū)的流量。模擬移動(dòng)床Ⅰ區(qū)位于洗脫液入口處與萃取液出口處之間，在此區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)組分A的解吸。在Ⅰ區(qū)應(yīng)將固定相清洗干凈，使其不能將組分A帶入Ⅳ區(qū)，因此要使Q1大于組分A隨固定相向下移動(dòng)的速度。模擬移動(dòng)床色譜Ⅱ區(qū)位于萃取液出口處與進(jìn)料口之間，其作用相當(dāng)于精餾塔，使被吸附的組分A反復(fù)吸附、解吸而濃縮。要使Q2介于組分B、組份A移動(dòng)速度之間，使組分B往上移動(dòng)，而組分A往下移動(dòng)，從而在提取液出口得到純的組分A。模擬移動(dòng)床色譜Ⅲ區(qū)位于進(jìn)料口與萃余液出口之間，其作用是盡可能地將組分A吸附在固定相上。在Ⅲ區(qū)要控制Q3，使組分A往上移動(dòng)，而組分B向下移動(dòng)，這樣就可以在提余液出口得到純的組分A。

模擬移動(dòng)床Ⅳ區(qū)位于洗脫液入口與提余液出口之間。一方面，液相中的組分B被固定相吸附，其洗脫液與新鮮的洗脫液一起進(jìn)入Ⅰ區(qū)，從而達(dá)到循環(huán)利用的目的;另一方面將Ⅲ區(qū)與Ⅰ區(qū)隔開，以免萃余液中的組分B進(jìn)入Ⅰ區(qū)而污染提取液，起到一定的緩沖作用。因此在Ⅳ區(qū)使Q4小于組分B向下移動(dòng)的速度，使其循環(huán)液中不含組分B，這樣就不會(huì)污染Ⅰ區(qū)。當(dāng)模擬移動(dòng)床色譜4個(gè)區(qū)的液體流量分別滿足以上的這些條件后，將可同時(shí)在2個(gè)出口得到純的分離產(chǎn)物。

這4個(gè)區(qū)的功能可以用圖2更為直觀的表示。

圖2 模擬移動(dòng)床分區(qū)及各自功能

分離機(jī)理的解釋:以2組分混合物A(強(qiáng)吸附組份)，B(弱吸附組份)為例，由于二者吸附能力的不同導(dǎo)致它們?cè)陔S液相流過固相時(shí)移動(dòng)速度的差異，A慢，B快，這時(shí)只要控制液相的主體速度uflu符合uA＜uflu＜uB這一關(guān)系，就會(huì)使A，B兩組分逐漸分離。

2 模擬移動(dòng)床的應(yīng)用發(fā)展

2.1 石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用

模擬移動(dòng)床在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)60年代。1961年UOP公司在Broughton和Gerhold 2人提出的SMB概念的基礎(chǔ)上開發(fā)了世界上第一個(gè)被成功應(yīng)用的傳統(tǒng) SMB 工藝——Sorbex［1］，并獲得專利，目前獲得官方認(rèn)證的Sorbex操作單元已有100多種;1969年美國UOP公司將模擬移動(dòng)床色譜技術(shù)用于分離對(duì)二甲苯和間二甲苯，該分離過程被稱為Parex［2］過程，后來又開發(fā)了用于分離石蠟的molex和olex系統(tǒng);UOP公司還將該技術(shù)應(yīng)用于其他工業(yè)級(jí)的石油產(chǎn)品的分離過程中，如:對(duì)甲苯酚和間甲苯酚的分離，從C8芳香族化合物中分離乙苯，從煤油C4烯烴混合物中分離1-丁烯，從蒎烯混合物中分離β-蒎烯等。

20世紀(jì)70年代初引進(jìn)的對(duì)二甲苯吸附分離技術(shù)，是我國模擬移動(dòng)床分離技術(shù)的開端。到目前，我國石化系統(tǒng)已陸續(xù)引進(jìn)了近10套生產(chǎn)裝置，吸附劑總裝填量約4 000 t，吸附劑也全部由國外進(jìn)口。國內(nèi)引進(jìn)的模擬移動(dòng)床分離裝置大部分采用美國UOP公司的工藝技術(shù)及吸附劑，包括上海金山石化總廠、揚(yáng)子石化公司、齊魯石化公司、天津石化公司、燕山石化公司、獨(dú)山子煉油廠、遼陽化纖公司等。

近期中國石化鎮(zhèn)海煉油化工公司采用法國IFP開發(fā)的Eluxyl對(duì)二甲苯分離工藝，建設(shè)4 500 t/年對(duì)二甲苯吸附分離裝置，此技術(shù)與美國UOP公司的Parex工藝相似。

總體來講，在20世紀(jì)90年代之前，SMB技術(shù)還主要用于石油化工領(lǐng)域，其本身就是在研究分離石油產(chǎn)品的過程中發(fā)展起來的。

2.2 生化分離領(lǐng)域的應(yīng)用

SMB在生物分離領(lǐng)域應(yīng)用最早并成功工業(yè)化的是對(duì)于糖的分離，在20世紀(jì)90年代以前研究者們就開發(fā)了用于在玉米糖漿中分離果糖和葡萄糖的Sarex［3］工藝過程，該工藝選擇一種 Ca2+型的陽離子交換樹脂作為固定相，用熱水作為洗脫劑。原料糖漿中含有42%的果糖，利用模擬移動(dòng)床分離時(shí)，果糖和Ca2+形成的復(fù)合體被阻流在柱中，葡萄糖和其他寡糖被洗脫劑帶走。分離后，提取液中果糖濃度為90%～94%，收率在90%以上，提余液中葡萄糖的濃度大于80%。利用模擬移動(dòng)床技術(shù)進(jìn)行糖類的分離，樹脂用量、再生液用量大幅度減少，生產(chǎn)自動(dòng)化程度提高，而且排污很少，這使得整個(gè)過程的費(fèi)用降低。Sarex工藝已成功應(yīng)用到內(nèi)徑達(dá)數(shù)米的柱子上，當(dāng)前國外已有年產(chǎn)萬噸果糖的成套商品化設(shè)備，而我國在這方面還處在初級(jí)研究階段。

脫鹽是SMB技術(shù)在生物分離領(lǐng)域的一個(gè)簡(jiǎn)單而有趣的應(yīng)用［4］，其中涉及到許多不同的機(jī)理，如離子排斥，疏水作用，離子交換，大小排斥等。將(NH4)2SO4從蛋白質(zhì)中分離涉及到大小排斥機(jī)理，對(duì)NaCl和丙三醇的分離涉及到離子交換機(jī)理，對(duì)苯基丙氨酸和氯化鈉的分離涉及到疏水排斥作用機(jī)理。

在氨基酸分離方面，SMB色譜技術(shù)廣泛應(yīng)用于苯丙氨酸、賴氨酸、纈氨酸、色氨酸和蘇氨酸等產(chǎn)品的分離和精制。Van Walsem等［5］等報(bào)道了使用模擬移動(dòng)床技術(shù)生產(chǎn)賴氨酸的工藝過程，最終生產(chǎn)出的賴氨酸純度可達(dá)98.5%。我國不少賴氨酸生產(chǎn)廠家采用ISEP系統(tǒng)生產(chǎn)賴氨酸，Wu［6］等人用10根柱組成的四帶SMB系統(tǒng)進(jìn)行了模擬移動(dòng)床分離色氨酸和苯丙氨酸的研究。萬紅貴、方煜宇［7］等人對(duì)模擬移動(dòng)床分離擷氨酸和丙氨酸進(jìn)行研究，最終得到的纈氨酸產(chǎn)品濃度為98.6%，丙氨酸副產(chǎn)品的純度為82.9%。

除此之外，Gottschlich等［8］研究了單克隆抗體的模擬移動(dòng)床色譜分離，Houwing等［9］采用梯度模擬移動(dòng)床離子交換色譜分離了蛋白質(zhì)，Andreev等［10］研究了模擬移動(dòng)床色譜對(duì)于同位素的分離，如H和D，D和T，16O和17O等。

2.3 手性藥物分離領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)于SMB應(yīng)用研究最為熱門的應(yīng)該是針對(duì)手性藥物的分離。臨床應(yīng)用的化學(xué)藥物很大一部分是手性的，在化學(xué)合成藥物中有1/3甚至更多是手性或者是由手性對(duì)應(yīng)異構(gòu)體構(gòu)成的外消旋體，而不同的手性對(duì)應(yīng)體在人體內(nèi)的藥理作用、毒性或毒副作用往往存在顯著差異。如20世紀(jì)60年代在歐洲市場(chǎng)上銷售的反應(yīng)停導(dǎo)致的胎兒畸形，后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該藥的療效來自R-異構(gòu)體，而其中的S-異構(gòu)體可導(dǎo)致胎兒畸形，該事件直接推動(dòng)了人們對(duì)于手性藥物中對(duì)應(yīng)體的分離研究，并最終使SMB技術(shù)進(jìn)入手性藥物分離領(lǐng)域并逐漸占據(jù)統(tǒng)治地位。

1992 年，Negawa 和 Shoji［11］對(duì)于 1-苯基乙醇的分離成為世界上第一個(gè)應(yīng)用SMB技術(shù)分離對(duì)映異構(gòu)體的成功案例，之后被一些藥企應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。到了1997年，比利時(shí)的UCB制藥公司和日本的Daicel化工公司應(yīng)用SMB技術(shù)已經(jīng)可以年產(chǎn)數(shù)噸的對(duì)應(yīng)異構(gòu)體;2002年，使用SMB工藝生產(chǎn)的單一對(duì)應(yīng)異構(gòu)體藥物L(fēng)exapro(抗抑郁藥)通過了美國食品及藥物管理局(FDA)的認(rèn)證。同時(shí)有記錄指出，在2000年之后，主要的大型藥企都已經(jīng)開始使用SMB技術(shù)。

浙江大學(xué)采用德國Knauer公司的pilot system CSEPC916模擬移動(dòng)床裝置對(duì)奧美拉唑?qū)?yīng)異構(gòu)體進(jìn)行了分離［12］。

除了上述領(lǐng)域外，SMB技術(shù)還在中藥和天然藥物中有效成分的分離提純中起到了積極的推動(dòng)作用。遼寧科技大學(xué)分離技術(shù)中心用自行設(shè)計(jì)研制的中小型模擬移動(dòng)床裝置分離出了紫杉醇、銀杏總內(nèi)酯B、銀杏黃酮、甘草苷、EGCG和人參中的Rb1等有效成分［13］。

3 模擬移動(dòng)床的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法

要弄明白模擬移動(dòng)床的設(shè)計(jì)與優(yōu)化首先要提到以下幾種色譜理論模型:平衡理論模型，該模型不考慮傳質(zhì)阻力和軸向擴(kuò)散的影響，假設(shè)傳質(zhì)能在瞬間達(dá)到平衡;塔板理論模型，它將色譜分離過程與精餾塔過程類比，把色譜柱看成是由一系列小的理論板構(gòu)成，該理論也沒有考慮軸向擴(kuò)散和傳質(zhì)速率有限性的影響;速率模型，它是一種屬于動(dòng)力學(xué)理論的模型，它既考慮了軸向擴(kuò)散和傳質(zhì)阻力，又考慮了非線性吸附的影響，是一種極為嚴(yán)格的，與SMB實(shí)際過程最為符合的模型，但是包含過多的偏微分方程，難以計(jì)算。

平衡理論的應(yīng)用直接導(dǎo)致了Marco Mazzotti三角理論［14］的出現(xiàn)，該理論在SMB領(lǐng)域具有非常重要的作用，在線性與非線性系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)者可以用該方法在吸附等溫線基礎(chǔ)上計(jì)算出一個(gè)完全分離區(qū)域，進(jìn)一步確定最佳操作參數(shù)，該理論在SMB領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛;另外一個(gè)著名的設(shè)計(jì)方法是由Wang，Ma等人在1997年提出的駐波設(shè)計(jì)法［15］，此方法將過程看作真實(shí)移動(dòng)床，列出偏微分方程，其中考慮了軸向擴(kuò)散和傳質(zhì)阻力，認(rèn)為在穩(wěn)態(tài)下系統(tǒng)中各組分濃度分布為駐波，即不隨時(shí)間變化也不改變位置即傳播速度為零，在此條件下對(duì)偏微分方程進(jìn)行化簡(jiǎn)求解，獲得一系列的關(guān)系式將產(chǎn)品的純度和收率與每個(gè)塔段的長度、床層移動(dòng)速度、流率、床層容量因子以及傳質(zhì)系數(shù)聯(lián)系在一起;第三種方法被稱作“體積分離法”(separation volume)，該方法所對(duì)應(yīng)的模型包含了傳質(zhì)阻力以及再生區(qū)操作參數(shù)對(duì)于分離效能的影響，應(yīng)用較少。

4 模擬移動(dòng)床的新發(fā)展

傳統(tǒng)的SMB系統(tǒng)都是4區(qū)系統(tǒng)且每個(gè)區(qū)擁有固定數(shù)目的柱子，操作參數(shù)恒定，包括恒定的進(jìn)出口流速以及統(tǒng)一的切換時(shí)間。近些年來，為了提高SMB的分離效能以及擴(kuò)大SMB的應(yīng)用范圍，在傳統(tǒng)SMB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了一些新的概念并在實(shí)際研究中應(yīng)用，尤其是針對(duì)操作參數(shù)多樣化的研究，對(duì)于推動(dòng)SMB技術(shù)的發(fā)展起到了重要的作用。

4.1 新型的模擬移動(dòng)床操作方式

4.1.1 不同步切換(varicol)

傳統(tǒng)SMB系統(tǒng)各區(qū)柱子數(shù)目固定，而Varicol技術(shù)是通過不同步切換來改變各區(qū)的柱數(shù)。這樣一種異步切換的操作模式能夠根據(jù)濃度譜帶的遷移情況來調(diào)整各區(qū)長度，使柱子分布將更為合理、有效，故能提高分離性能。Nicoud等人已經(jīng)申請(qǐng)了此項(xiàng)專利［16］，并做了詳細(xì)介紹。關(guān)于varicol過程的優(yōu)化研究也有不少報(bào)道，詳見文獻(xiàn)［17］。

4.1.2 流量的調(diào)節(jié)(powerfeed)

傳統(tǒng)的SMB系統(tǒng)中，流速是保持恒定的，而Powerfeed工藝是在一個(gè)切換周期內(nèi)改變某個(gè)或全部流動(dòng)相的流速，它比傳統(tǒng)的SMB工藝展現(xiàn)出更多的自由度。這個(gè)新工藝最早被提出是在一篇專利文獻(xiàn)［18］中，在所有有關(guān)powerfeed工藝的研究中，有一點(diǎn)是被多次肯定的，即采用機(jī)動(dòng)進(jìn)料的方式比傳統(tǒng)的SMB系統(tǒng)消耗溶劑更少、生產(chǎn)率更高。不過，頻繁地改變進(jìn)料泵流量將增加泵的負(fù)擔(dān)，減少泵的壽命，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成潛在威脅。

Zang等［19］使用多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)來詳細(xì)研究powerfeed工藝，并比較了同樣實(shí)驗(yàn)條件下powerfeed、varicol和傳統(tǒng)SMB工藝的區(qū)別。這些研究結(jié)果表明與傳統(tǒng)SMB相比，powerfeed和varicol工藝都恩能夠顯著提高分離效率且對(duì)于難分離組份提高更大。Varicol與powerfeed工藝相比，varicol工藝比powerfeed工藝操作簡(jiǎn)單

4.1.3 進(jìn)料濃度調(diào)節(jié)(modicon)

Schramm等［20］提出了modicon的工藝模式，它是通過在切換周期內(nèi)改變進(jìn)樣濃度來提高SMB分離性能的方法，克服了powerfeed工藝因頻繁切換流速而導(dǎo)致的泵易損壞，又不至于像varicol工藝中因不同步切換需要提供復(fù)雜的計(jì)算對(duì)閥進(jìn)行控制。modicon工藝并不嚴(yán)格局限于langmuir型。他們用非線性傳播理論對(duì)過程進(jìn)行分析表明周期性的修正調(diào)節(jié)進(jìn)樣濃度可以顯著提高SMB分離性能［21］。與傳統(tǒng)SMB相比，產(chǎn)量和濃度都有所增加，溶劑消耗降低。而且在傳統(tǒng)SMB基礎(chǔ)上，較容易實(shí)現(xiàn)modicon工藝。

4.2 新式模擬移動(dòng)床

近些年來，針對(duì)SMB的組成結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了一些創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，如 Kerstin Buhlert等人［22］設(shè)計(jì)的單柱SMB系統(tǒng)，它只有一個(gè)柱子，但是從上到下被分為4個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)SMB的4個(gè)區(qū)，這種單柱系統(tǒng)很適合實(shí)驗(yàn)室小批量料液的分離，節(jié)約成本，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)SMB系統(tǒng)相比柱數(shù)減到了最少，目前該設(shè)計(jì)已申請(qǐng)專利;Zang等［23］設(shè)計(jì)的三區(qū)開環(huán)SMB系統(tǒng)，去掉了IV區(qū)從而去除了弱吸附組份通過IV區(qū)進(jìn)入I區(qū)形成污染的可能性，有效的提高了目標(biāo)產(chǎn)物的純度，與傳統(tǒng)SMB系統(tǒng)四分區(qū)的設(shè)計(jì)相比少了一個(gè)分區(qū);針對(duì)3組分的分離，Chiang［24］設(shè)計(jì)出了一個(gè)具有8個(gè)區(qū)的模擬移動(dòng)床，采用兩種不同成分的洗脫液。

還有一些創(chuàng)新設(shè)計(jì)將SMB色譜分離與其它生化過程相串聯(lián)，如Amanullah等［25］將SMB與結(jié)晶過程相串聯(lián)，更好的發(fā)揮了SMB的效用;Mazzotti等［26］在實(shí)驗(yàn)室模擬移動(dòng)床反應(yīng)器(SMBR)中進(jìn)行了乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，以氣體作為流動(dòng)相的氣象色譜模擬移動(dòng)床GC-SMB［27］，以超臨界流體為流動(dòng)相的超臨界流體模擬移動(dòng)床 SF-SMB［28］。

相信隨著研究的日益深入以及實(shí)際生產(chǎn)的需要，將有越來越多的新式SMB概念被提出并投入實(shí)際研究應(yīng)用。

5 展望及建議

經(jīng)典的模擬移動(dòng)床技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且因?yàn)槠湓诋a(chǎn)品濃度以及經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)而為更多的企業(yè)，更多的領(lǐng)域所應(yīng)用。但現(xiàn)在的SMB系統(tǒng)更多的用于兩組份混合物的分離，對(duì)于3組分甚至更多組分的分離應(yīng)用較少，所以在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于多組分物質(zhì)的分離;再者，雖然現(xiàn)在對(duì)于模擬移動(dòng)床的設(shè)計(jì)與優(yōu)化都有現(xiàn)成的較為成熟的模型以及計(jì)算方法可用，但是大多數(shù)方法涉及到復(fù)雜而大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，且必須借助專門的計(jì)算軟件，工作量較大，所以開發(fā)出較為簡(jiǎn)便易行的模型與計(jì)算方法顯得尤為重要;最后，雖然模擬移動(dòng)床的分離率以及產(chǎn)品純度都達(dá)到了很高的水平，但是一直以來其生產(chǎn)率并不是太高，而耗費(fèi)較多的溶劑，這對(duì)于一個(gè)大型生產(chǎn)企業(yè)來說具有很大的影響，所以今后的研究還應(yīng)致力于模擬移動(dòng)床生產(chǎn)率的提高，溶劑用量的減少上面，在這方面做的比較好的是近些年出現(xiàn)的一些新型模擬移動(dòng)床，如文章第四部分所述;最后對(duì)于固定相也有以下的要求:更高的選擇性，更大容量，高穩(wěn)定性，低成本等。

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