呂海霞， 陳明杰， 危 鳳， 張華星， 錢桂敏

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 寧波 315100;2.浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 中藥學(xué)院，浙江 寧波 315000)

0 引 言

模擬移動床(simulated moving bed,簡稱SMB)是美國環(huán)球油品公司在1961年提出的一種分離技術(shù)，用于C8芳烴分離。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了色譜分離的連續(xù)操作，與常規(guī)的制備色譜和工業(yè)色譜相比，分離能力強(qiáng)，分離效率高，溶劑消耗低，且易實(shí)現(xiàn)自動化，逐漸在制藥工業(yè)、精細(xì)化工以及生物制品等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，尤其在手性藥物和天然產(chǎn)物分離純化方面有大量應(yīng)用。色譜這種高效的分離手段，不再局限于分析，而是逐步在新的分離領(lǐng)域得到制備和生產(chǎn)規(guī)模應(yīng)用，大型模擬移動床設(shè)備每年制備量達(dá)100萬t。隨著這些領(lǐng)域?qū)Ψ蛛x技術(shù)的要求越來越高，SMB技術(shù)的發(fā)展空間和工業(yè)化應(yīng)用前景更加廣闊。

SMB分離制備是我院的重要科研方向，研究這項(xiàng)技術(shù)已10多年，先后對生育酚、輔酶Q10、紫杉醇、辣椒堿、芍藥苷、深海魚油、柔紅霉素、子囊霉素、奧利司他、奧美拉唑等體系的分離純化做過深入研究，取得豐碩的科研成果，承擔(dān)了10余項(xiàng)科研項(xiàng)目，發(fā)表科研論文30多篇，申報發(fā)明專利11項(xiàng)，并成功開發(fā)兩套各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)外同類產(chǎn)品水平的SMB裝置和SMB模擬軟件[1-4]。其科研成果已與相關(guān)企業(yè)合作，成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

將SMB這項(xiàng)優(yōu)質(zhì)科研成果轉(zhuǎn)化成切實(shí)可行的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，既能積極推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新，又能有效提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力，契合我校高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

1 已有的SMB實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)

我院在模擬移動床分離技術(shù)的研究中始終貫穿著學(xué)生的培養(yǎng)，該領(lǐng)域先后指導(dǎo)了6名研究生和39名本科生的畢業(yè)設(shè)計課題，積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)[5-6]。該技術(shù)與制藥工程專業(yè)知識緊密相關(guān)，涉及多項(xiàng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能，在專業(yè)實(shí)驗(yàn)中已開設(shè)許多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比如：離子交換法提純混合生育酚實(shí)驗(yàn)，用離子交換樹脂對混合生育酚進(jìn)行提純，并用薄層色譜分析產(chǎn)品，讓學(xué)生掌握離子交換分離技術(shù)和薄層色譜的基本原理及操作方法。還有制備液相色譜分離生育酚各組分和高效液相色譜分析生育酚各組分純度和含量兩個實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生熟悉制備液相色譜基本結(jié)構(gòu)和操作步驟的基礎(chǔ)上，掌握制備色譜流分切割和循環(huán)進(jìn)樣技術(shù)，將切割得到的各個流分再用高效液相色譜進(jìn)行定量分析，使學(xué)生掌握高效液相色譜的基本原理和操作[7]。以上教學(xué)實(shí)踐，可以保證循序漸進(jìn)地開發(fā)模擬移動床分離提純生育酚實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[8]。

2 開發(fā)創(chuàng)新型SMB實(shí)驗(yàn)

生育酚又稱維生素E，是人體必需維生素之一。天然生育酚是一種具有右旋光學(xué)活性的混合物，有α-,β-,γ-,δ-四種同系物，α-生育酚是其中生理活性最高的組分。天然生育酚的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于合成生育酚，所以市場需求量連創(chuàng)新高，時常供不應(yīng)求，我國生育酚市場發(fā)展空間巨大。

高純度的天然生育酚是很好的醫(yī)藥品和保健品。天然生育酚的提純和分離方法主要有超臨界CO2萃取法、溶劑萃取法、皂化法、蒸餾法、尿素絡(luò)合法、氫化法和色譜法。其中色譜法能得到含量很高的生育酚，甚至得到各生育酚純組分，主要用在生育酚同系物中各單體的分離中，這些方法有薄層色譜、柱色譜(常見的有離子交換法和吸附法)和液相色譜[9]。高純度生育酚的提純工藝研究，不僅具有學(xué)術(shù)價值，而且具有工業(yè)應(yīng)用價值。模擬移動床色譜技術(shù)可以連續(xù)生產(chǎn)，比較適合于生產(chǎn)高純度單體。我院老師用模擬移動床色譜分離天然生育酚，目標(biāo)產(chǎn)物ɑ-生育酚的純度和回收率都達(dá)到97%以上。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1所示的類比有助于理解模擬移動床分離原理。普通色譜分離是由于強(qiáng)、弱吸附組分在液固兩相中的吸附平衡關(guān)系不同，使得強(qiáng)弱組分能夠先后流出色譜柱。各組分遷移速率存在差異，這點(diǎn)像龜兔在跑帶上賽跑，一定時間后龜兔會得到分離。如果連續(xù)不斷地在起點(diǎn)(色譜柱入口)放入龜兔(強(qiáng)、弱吸附組分)，在跑帶終點(diǎn)(柱子出口)只能得到龜兔的混合物。然而，如果將跑帶往后移動，且移動速率介于龜兔運(yùn)動速率之間，則烏龜會隨跑帶往后移動，而兔子仍往前移動。故此時若在跑帶中央連續(xù)不斷地放入龜兔，在跑帶兩端就分別得到烏龜和兔子。將這一原理運(yùn)用到吸附和色譜分離中，需要固、液兩相逆向移動，模擬移動床概念應(yīng)運(yùn)而生。

圖1 模擬移動床分離原理

將多根色譜柱首尾相接成一閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)料液和洗脫液入口與萃取液和萃余液出口將之分為四個不同的功能區(qū)，如圖2所示。每隔一定時間Δt，所有柱子往后移動1根柱長，或者4股物料進(jìn)出口位置分別沿流動相方向切換至下一根柱子出口，則可實(shí)現(xiàn)固定相與流動相之間的逆流效果。如果柱子無限短，且柱子移動速率無限快(或物料進(jìn)出口位置切換無限快)，就能實(shí)現(xiàn)液固兩相的連續(xù)逆流效果。實(shí)際操作中，各區(qū)流速與切換時間等操作條件選擇恰當(dāng)，可從萃取液和萃余液出口分別連續(xù)獲得強(qiáng)吸附和弱吸附兩個產(chǎn)品。

1～8：色譜柱編號 A：強(qiáng)吸附組分 B：弱吸附組分

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

模擬移動床原理較難懂，分離條件設(shè)計復(fù)雜，一般需要經(jīng)過較長時間學(xué)習(xí)和琢磨。為了充分兼顧學(xué)生的理論知識基礎(chǔ)和接受能力[10]，安排以下4個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，①觀察實(shí)物，理解模擬移動床液固逆流的兩種不同實(shí)現(xiàn)方式；②通過模擬軟件考察濃度譜帶在床層內(nèi)的運(yùn)行特征，理解模擬移動床的分離原理；③結(jié)合用傳統(tǒng)4區(qū)模擬移動床色譜分離混合生育酚的任務(wù)，師生一同現(xiàn)場討論分離工藝，布置學(xué)生設(shè)計分離條件，并做實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備；④操作并完整運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，討論分離結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報告。

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M移動床系統(tǒng)采用德國KNAUER公司產(chǎn)的CSEP?9116，色譜柱是大連依利特公司產(chǎn)的ODS硅膠柱，硅膠粒徑10 μm，柱子尺寸φ10 mm×100 mm，8根。分析用Knauer高效液相色譜儀(K-501泵，K-2501紫外-可見波長檢測器，色譜柱C18柱)和Eurochrom2000色譜數(shù)據(jù)工作站。

試驗(yàn)器材還有電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、雙頻超聲波清洗機(jī)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、電子天平、真空過濾器、減壓泵等。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

原料是35%的混合生育酚，主要含有4種生育酚同系物和前雜、后雜。先進(jìn)行原料預(yù)處理，通過柱層析的方法，去除后雜，之后運(yùn)用模擬移動床分離技術(shù)分離掉前雜組分，從而獲得高純度的生育酚。

2.4.1原料預(yù)處理

這一步在離子交換法提純混合生育酚的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)完成，將收集到的流出液與甲醇配制成生育酚料液備用。

2.4.2生育酚在ODS上平衡常數(shù)的測定

取配好的生育酚料液進(jìn)液相色譜分析，見圖3(組分f為α-生育酚)，記錄各組分的出峰時間，計算ODS柱孔隙率和生育酚在ODS上的平衡常數(shù)，得出平衡常數(shù)K與流動相組成的關(guān)系。

2.4.3模擬移動床分離生育酚

(1) 將預(yù)處理后的生育酚原料液用偏氯膜真空過濾，超聲脫氣后備用。

(2) 采用一級色譜純甲醇配制流動相。

(3) 通過測量得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合三角形理論法計算得到操作條件；開啟模擬移動床，開啟各泵及時間切換開關(guān)，設(shè)定各泵流速，調(diào)節(jié)其參數(shù)直至均達(dá)到準(zhǔn)確流量，然后穩(wěn)定模擬移動床系統(tǒng)。

圖3 混合生育酚產(chǎn)品液相分析譜圖

(4) 收集樣品。切換時間為5 min，第一次先切換兩個循環(huán)(切換8根柱子為一個循環(huán))，即80 min后，待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，在萃取液、萃余液和IV 區(qū)出口用錐形瓶收集樣品，每組樣品需從一次切換開始收集，到第二次切換結(jié)束時停止收集，每隔一段時間收集一組，收集若干組，用HPLC分析或TLC分析組成。

(5) 結(jié)果分析。收集完樣品后關(guān)閉模擬移動床的電源，用TLC分析樣品，根據(jù)圖譜顯示的信息分析調(diào)整操作條件，進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)，直至得到純度較高的生育酚(TLC上看不到前雜和后雜)。最后用HPLC分析萃取液和萃余液樣品(見圖4)，直至得到純度大約98%的α-生育酚。

圖4 萃取液、萃余液的液相分析譜圖

本實(shí)驗(yàn)通過現(xiàn)場實(shí)物對比和計算機(jī)仿真，加深學(xué)生對SMB原理的理解。離子交換法提純混合生育酚、制備液相色譜分離生育酚各組分和本實(shí)驗(yàn)形成色譜技術(shù)的系列實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生對色譜技術(shù)理解及應(yīng)用，同時使學(xué)生熟練掌握了高效液相色譜、薄層色譜的分析操作方法；不同色譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析對比使學(xué)生對SMB這一先進(jìn)技術(shù)體會深刻，激發(fā)了學(xué)生的探索興趣，受到學(xué)生的一致認(rèn)可和好評。

3 實(shí)踐效果

引入模擬移動床分離提純生育酚應(yīng)用創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)使我院的制藥工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)在同行中具有獨(dú)特性和先進(jìn)性，實(shí)踐效果良好[11-12]。

3.1 學(xué)生收獲大

模擬移動床色譜價格昂貴，操作難度大，國內(nèi)罕有高校在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入該分離技術(shù)。學(xué)生接觸這項(xiàng)前沿的分離技術(shù)及設(shè)備，增進(jìn)了他們對專業(yè)的了解和熱愛，增強(qiáng)了學(xué)生的專業(yè)信心，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。掌握和了解這一技術(shù)的學(xué)生，可有效拓寬專業(yè)知識領(lǐng)域、提高實(shí)踐創(chuàng)新能力，增加就業(yè)競爭力。

3.2 教學(xué)育人收獲大

該SMB實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體現(xiàn)了我院的科研特色，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研熱點(diǎn)和工程應(yīng)用緊密結(jié)合，促進(jìn)了科教融合，推動了科研育人[13-14]；結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和人才培養(yǎng)目標(biāo)形成的與課程體系融為一體的該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是對原課程的有益補(bǔ)充和深化，優(yōu)化了專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提高了本科生教學(xué)質(zhì)量。

3.3 實(shí)驗(yàn)開發(fā)空間廣闊

模擬移動床分離技術(shù)復(fù)雜，在“教-學(xué)-研”三方面都有具有較大的探索空間[15-16]。通過分組學(xué)生以團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)耗時長，適合引導(dǎo)學(xué)生深入思考，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，從而真正培養(yǎng)學(xué)生的科研思維能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。本實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步以α-生育酚的純度和回收率為目標(biāo)，研究進(jìn)樣濃度、進(jìn)料量和各區(qū)流速對模擬移動床分離α-生育酚的影響，從而得到該工藝最優(yōu)的操作條件，通過畢業(yè)設(shè)計、科研項(xiàng)目等實(shí)踐平臺引導(dǎo)感興趣的學(xué)生繼續(xù)深入探究，不斷提高自身的綜合能力。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也可作為研究探索型實(shí)驗(yàn)在我院生物工程、化學(xué)工程與工藝專業(yè)或他校相關(guān)專業(yè)推廣，擴(kuò)大學(xué)生受益面。

4 結(jié) 語

模擬移動床分離技術(shù)體現(xiàn)了我院的學(xué)科優(yōu)勢，將創(chuàng)新特色實(shí)驗(yàn)?zāi)M移動床分離提純生育酚引入制藥工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)科研資源轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，推動省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的教學(xué)建設(shè)。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)集中體現(xiàn)了我院省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心“教-學(xué)-研”一體化的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建設(shè)思想，突出了我院的市重點(diǎn)特色專業(yè)制藥工程的專業(yè)亮點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展既提升了任課教師的教學(xué)素質(zhì)和能力、又提高了學(xué)生的理論知識和動手實(shí)踐能力，真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長，推動了人才培養(yǎng)模式的改革創(chuàng)新，有助于學(xué)校高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。