（化工过程机械专业论文）连续反应分离提取壳低聚糖的集成装备研究.pdf

浙江人学碳卜位论史 摘要 六丁寡糖是一种具有独特生理活性的壳低聚糖，在抗肿瘤、环保和农业等 方面具有良好的应用价值。为了从壳聚糖降解产物的多组分混合物中分离出聚 合度为6 的六丁寡糖，本论文在我们已授权的国家发明专利多元分流式反应 分离装置及其方法的设计思路上，开发了一种综合色谱分离特点和自动控制 技术的连续反应分离制各装置，并利用这套连续反应分离装置，从实验和理论 的角度探讨了壳寡糖的多组分集成分离特性及方法，获得了较好的应用效果。 首先，根据分离过程中的相问传质特点，分别在液相和颗粒相中建立了传 质方程，并利用吸附等温线方程进行耦合，结合系统的初始条件，建立了壳寡 糖、壳单糖等在连续色谱分离中的数学模型，并利用m a t l a b 的o d e 偏微分方 程求解器编程求解，从而为对连续反应分离制备壳寡糖进一步地研究提供了理 论指导。 其次，按照上述专利设计思路，自行搭建出实验平台，对壳寡糖、壳单糖 的分离性能进行了具体的实验研究，获得了壳寡糖、壳单糖体系最佳的分离p h 控制，以及最佳的切换时间控制，为进一步进行多柱、多组分集成分离提供了 工艺控制参数。此外，通过实验分别测定了壳寡糖、壳单糖在温度为2 0 0 c 时， 在填料弱酸性聚甲基丙烯酸( c 1 1 5 e ) 上的等温吸附特性曲线以及床层的柱隙 率等工艺参数，为对壳寡糖、壳单糖连续色谱分离模型的建立和数值模拟提供 了必要条件。 最后，通过对该色谱分离系统分离模型的仿真，获得了壳寡糖在色谱柱内 的浓度分布曲线和突破曲线，并将其结果与实验获得的相关曲线进行了对比， 结果表明，二种途径获得的浓度分布曲线和突破曲线符合较好，从而验证了本 论文建立的数学模型的有效性；还获得了壳寡糖、壳单糖分别在提取液出口和 提余液出口处的浓度变化情况，并研究了柱隙率、轴向传质系数和色谱柱长度 等物性参数以及切换时间等操作条件对该色谱连续分离系统模型分离性能的影 响，为设计其新型连续色谱分离系统，提供了最佳分离参数确定方法和具体的 理论指导。 关键词：壳寡糖，色谱分离，模拟移动床，等温吸附，多组分分离 一i 一 浙江人学砸j 学位论文 a b s t r a c t c h i t o s a n - 0 1 i g o s a c c h 撕d e( c o s ) i sal i n e a r p o l y m e r s ， i nw l l i c h2 - 1 0 d - g l u c o s 栅i n er e s i d u e s a r ec o l l l l e c t e db yp 一1 ，4l i n l ( a g e s ，w h i c hh a su 1 1 i q u e p h y s i o l o 百c a la n db i o l o 百c a la c t i v i t i e s ，e s p e c ia l l yw h c i lt h ep o l y m e z a t i o nd e 口e ei s 6 ，i tp l a y sai m p o r t a n tm l ei nt h ef i e 】do fa n t i t i l m o r t h u s ，i tf i n d sav a s ta p p l i c a t i o n i nm e d i c i n es c i c i l c e ，e n v i m n m e i l t a l p r o t e c t i o na n d 驯c na 舒c u l t u r e c o si s d e g r a d e d 硒mc h i t o s a l lt h m u 曲k i n d so fm e t h o d ss u c ha sb i o f 而c n t a t i o np r o c e s s ， c h 枷c a ld i s c o m p o s i t i o np r o c e s sa n de r l z y o n em e t h o d u s u a l l y t h e p r o d u c t s d e p r i v e d 的ma b o v ep r o c e s s e sa r em i x t u r e sc 伽叩o u n d i n gw i mas e r yo fd 9 1 u c o s a m i n e sw i t hd i f r e r e n tp o l y m e r i z a t i o nd e 伊e e s ，a n di no r d e rt os e l e c tt h ev e r y c l l i t i nw i map o l y m e r i z a t i o nd e 芦e eo f6 ，( t ob es i m p l m c a t i o n ，w ec a l li t6 一c o s ) ，a d e v i c en 锄e dc o n t i u o u sc h _ o m a t o 伊印h yi n t e r f a t e ds 印a r a t i o na n dr e a c t i o n d e v i c e ，i l n d e rt h ei d e ao fm ep a t 肌t ：m e t h o d s 柚dp r a c t i c a ld e v i c e so ft h es h u n t m u l t i p l es 印a m t i o ni n t e r 哥a t e dw i t hr e a c t i 彻w a sd e v e l o p e d w 汕i t sh e l p ，m i s a r t i c l er e s e a r c h e si n t ot 1 1 ec h a r a c t e r i s h c sa n dm e l o d so f6 一c o s sm u l t i p l e c o m p o n e m si n t e r 笋a t e ds 印m t i o n ，f 如mm ea v e n u e so fp r a c t i c a le x p e r i m e n t a t i o n a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e v c n t l l a l l y g a i n sat a t h e r g o o de 虢c t o f p r a c t i c a l 印p l i c a t i o n f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t 甜s t i c so ff h em a s st r a n s f e rb m v e e nt h eb u l kp h a s e 锄dt h ep a n i c l ep h a s ed 嘶n gt h es 印a r a i i o np r o c e s s ，e q u a t i o n sc a i lb ee s t a b l i s h e d s 印a m t e l yi i lt 1 1 eb u u cp h a s ea 1 1 dm ep a r t i c l ep h a s e ，w i t lt l l ea b s o r p t i o ni s o t h e n l l ，t h e i i l i t i a lc o r l d i t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h o s em a s st r 柚s f he q u a t i o n sc a nb e s o l v e d ，a d o p t i n gm em a t l a b so d es o l v 盯t h er c s u l t sw i l lb ed i 印l a y e di nt 1 1 e f o n n so fh i s t o r i cc o n c e n i o nc u r v e si n s i d et 1 1 ec o l u ma n dt l l er e a l t i 工n e c o n c e i l 打a t i o np r o f i l e sa tt l l eo u t l e t0 fm ec o l u m n t h o s ec o n c e n t r a t i o np m m e sw i l l p r o v i d eg u i d e sf o rt h er c s e a r c h e so f c h r o m a t o f 印h j cs 印a r a t i o n s e c o n d ， i n s t a l l e dad e v i c en 锄e dc o n t i n u o u s c l l r o m a t o 伊a p h yh l t e r g r a t e d s 印a r a t i o na 1 1 dr e a c t i o nd e v i c e ，u n d e rt h ei d e ao fp a t 朋t ：m e l o d sa n dp r a c t i c a l d e v i c e so ft h es h u n tm u l t i p l es 印a r a t i o ni n t e r g r a t e dw i t hr e a c t i o n ，a n de x e c u t e d i i 浙江人学颤i 。学位论文 p r a c t i c a le x p 甜m e n t a t j o nr e s e a r c h e s ，g a i n e dt 1 1 eb e s tp o i n to fp hc o n 仃o la n dt h e b e s ts w i t c h i n gt i i n ef o rt h es y s t e mo f6 一c o s ss 印a r a t i o n ，t h o s er c s u l t sp r o v i d e p r e c o n d i t i o n sf o rm o r ec o m p l e xs 印a r a t i o np m c e s s e s b e s i d e s ，t h i sa n i c l eg o tt h c a b s o 巾t i o ni s o t h e r m so f6 一c o s ，u n d c rt h et e m p e r a t u r eo f2 0d e g r c e ，w h e n t h e a b s o r b e mw 船c 1 1 5 e ，柚db e d sp o m s 崎v i at h em e t h o do f e x p e r i m e n t s a l la b o v e m a k ei t 口o s s m l et oi n s 乜l lt h em o d e lo f m ec h d m a t o 笋印h i cs 印a r a t i o np r o c e s s ，a n d g e tt l l es i m u l a t e dr e s u l t s a tl a s t ，a r e rs o l v i n gm em o d e lm a s s 订a n s f 打e q u a t i o n ，c o s sc o n c e n t r a t i o n p r o f i l e si n s i d et h ec o l u m na n db r e d k t t l r o u 曲c u r v e sw i l lb ea t t a i n e d t h o s ec u r v e s h a v eg o o dc o n f o n i l a t i o n st ot h ec u e sd e r i v e d 肋mp r a c t i c a le x p 甜m e n t a t i o n s t h e s ec o n f o m a t i o n sa r ep r o v e so ft h ee f f e c t i v i t yo ft h cm o d e ls 0 1 u t i o n sm e t h o d s t h e n ，m o r er e s e a r c h e sa r ed e v e l o p e d a b o u tt h e 协n u e n c i n gf k t o r st o 也e c h m m a t o g r a p h i cs 印a r a t i o np r o g r e s s ，f o c u s e do nt l l e a ) 【i a ld i s p e r s i o nc o e 衔c i e n t ， b e dv o i dp o m s i t y c o l u m nl e n 垂h ，s w i t c ht i m e 锄dn o wm t ei nd i f f e r e n tz o n e s a l l t h o s er e s e a r c h e sp r o v i d e sm o d e l i n gg u i d e sf 研d 曲m n i n i n gm eb e s to p e r a t i o n c o n d i t i o n sa n di n g t a l l i n gn e wc l l i d m a t o 伊a p h i cs e p a r a t i o ns y s t e m s k e y w o r d s ：c h i t o s a n o l i g o s a c c h 撕d e ， c h _ 0 m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o n ， s i m u l a t e d m o v i n gb c ds y s t e l l l ，a b s o 甲t i o ni s o t h e n n ，m u l t i p l ec o m p o n e n t ss e p a m t i o n i i i 浙江大学硕j 学位论殳 符号表 组分i 的l a n 舯u i r 吸附等温线常数 i 组分的g a l e r k i n 单元矩阵 i 组分的g a l e r k i n 单元刚度矩阵 组分i 的l a n g m u i r 吸附等温线常数 传质方程的b i 无量纲数 用于将浓度无量纲化的参量，一般取初始时刻的进料浓度 液相中i 组分的浓度 颗粒微孔间的滞留相中i 组分的浓度 颗粒固相上i 组分的浓度 无量纲化后液相中i 组分的浓度 无量纲化后颗粒微孔间的滞留相中i 组分的浓度 无量纲化后颗粒固相上i 组分的浓度 i 组分的g a l 盯k 访单元刚度矩阵 i 组分的轴向扩散系数 i 组分的相问扩散系数 颗粒中内o c 法配置点数 有限元法配置点数 组分数 i 组分的g a l c r k i n 单元刚度矩阵 传质方程的p e 无量纲数 质量流量 色谱柱半径 颗粒半径 无量纲化后的颗粒半径 无量纲时间 切换时间 轴向坐标 无量纲化后的轴向坐标 柱隙率 孔隙率 全床总隙率 无量纲准数 v i 一 凼舡觚m凰唧。踮腿耽q r砩，。匕：。钆q。毗 浙江人学顾l 学位论史 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 人类对吸附的认识和应用可追溯到远古时代 i 】。将一滴包含有混合色素的 溶液滴在一块布或一片纸上，随着溶液的展丌可以观察到一个个同心回环出现， 古代罗马人就是采用这样简单的方法来分析染料与色素的 2 l o 近3 0 年来，新型 吸附剂的开发为吸附分离技术的进一步应用打下了基础，合成沸石分子筛的发 明、吸附循环分离技术的发明和变压吸附技术等的成功开发，使人类在吸附领 域取得突破性地进展，特别是模拟移动床吸附分离技术的成功开发，使吸附分离 技术成为化学工业和石油化学工业中重要的分离过程，奠定了吸附分离技术在 现代工业中的重要地位。 色谱( c h r o m a t o 掣印h y ) 分离是一种建立在组分选择吸附基础上的分离和分 析技术。大约在1 0 0 多年前，德国的化学家r u e 对此方法又作了重要地改进， 使其具有更好的重现性与定量能力，这项技术后来发展成了今天的纸上层析色 谱技术。但是，首先认识到这种层析现象在分离分析方面重大价值的是前苏联 植物学家t s w e t t 。1 9 0 3 年，他首先用色谱法分离植物色素，并由此提出了色谱的 概念。他把植物色素的抽取液倒进装有碳酸钙的吸附柱中，再用石油醚去洗脱， 得到植物色素的不同颜色的谱带，这种连续色带被称为色层或者色谱 ( c h r 1 a t o g r a p h y ) 【3 】。随着色谱技术的发展，这种方法广泛应用于分离各种 无色组分，但是色谱( c h r o m a t o 伊a p h y ) 这个名词却一直被沿用下来，色谱技 术依据分离机制的不同可分为吸附色谱、离子交换色谱和凝胶过滤色谱等，按 操作方式的不同又可分为间歇色谱和连续色谱两大类【4 1 。 色谱法首先在分析化学中获得了巨大的成功，将色谱分离与适当的检测手 段相结合便成为色谱分析法。它具有方法多样、分离效率高、灵敏度高、分析 速度快和定量分析精密度高的特点。但是，色谱分析所追求的是分离度和灵敏 度，而其试样量和浓度是很小的，不适合广泛应用在工业生产中【5 1 。 近年来，色谱分离技术在工业制备生产上的应用同趋广泛，尤其是在制药、 精细化 和生物工程等领域方兴未艾，甚至对于某些混合物而言，色谱分离法 是得到高纯产品的唯一方法，例如大部分的手性物质( c h i r a l ) 以及一些沸点相 浙 【人学倾i 学位论空 近、或分子量大、或热敏性相近的有机混合液哪，8 ，9 ，1 0 】。 壳聚糖( c “t o s a n ) 为甲壳质( c h i n n ) 脱乙酰化处理后的产物，是天然多聚糖 中唯一大量存在的碱性氨基多糖。由于壳聚糖同时具有游离的氨基和羟基，故 具有特殊的生理活性，无毒、可生物降解、生物相容性好，近年来在化工、环 保、食品、医药、化妆品和农业等方面得到越来越广泛的应用。然而，由于壳 聚糖是高分子化合物，分子量通常在几十万至上百万，且分子结构紧密，因而 不能溶于水等普通溶剂，难以被吸收利用，限制了壳聚糖的应用。壳聚糖可以 采用发酵法、化学法等各种方法降解，当其降解后的产物聚合度为2 一1 0 时，其 水溶性好，很容易被吸收利用，且生物活性比壳聚糖更强，特别是当聚合度为 6 左右的壳低聚糖，也叫做六丁寡糖，也叫作壳寡糖，更具有许多独特的生理 活性和功能性质，因而具有更加广泛的应用前景【l l 1 2 ，13 1 。 由于通常降解后所得到的是不同聚合度的混合物，如何能有效地从中分离 提取出相应聚合度要求的壳低聚糖产品，是一项颇具吸引力的研究。在本论文 的研究中，我们尝试将基于连续制备色谱分离的模拟移动床分离技术与生物降 解反应相耦合，从生物降解后的产物中连续分离出聚合度为6 的寡糖，并结合 实验，进行了体系建模和仿真模拟，成功地开发了能连续反应分离提取壳低聚 糖的新型集成装备，不仅具有较高的理论研究和应用价值，而且对于与此相关 的研究具有较高的指导作用。 1 2 国内外研究现状 色谱分离技术自从1 9 0 3 发明以来，人类对如何充分利用色谱技术作了大量的 探索工作，从而诞生了很多很实用的发明，如由美国通用石油公司( u o p ) 开发 的连续逆流循环移动床装置，也叫做s o r b e x 过程【1 4 1 5 】等。当前，社会正朝着更加 节能、更加环保的方向发展，而模拟移动床，以其独有的高效率、低能耗等优点， 成为当前的科研中一朵奇葩。 目前，关于模拟移动床的研究，主要集中在努力拓展其应用领域、快速提 取组分的分离参数和利用m a t l a b 等来进行数值模拟仿真并进行优化等方向。具 体来说在本论文的相关研究中，国内外的科研工作者主要做了以下几方面的 工作。 一2 浙江大学硕f 学位论文 1 2 1 模拟移动床集成反应分离 将反应与分离耦合是模拟移动床( s i m u l a t e dm o v i n gb e d ，s m b ) 装置设计的 重要发展方向之一，对于可逆平衡反应，在反应的同时引入分离，可以突破平衡 的限制，使反应物接近于完全地转化，大大地降低整个过程的成本。相对于反应 精馏、反应萃取等过程，在s m b 中将反应与分离结合，过程的条件温和、适应性 强同时可以获得高纯度的产品。酯化、酯交换、烯烃与醇的反应、生物降解及很 多的生化反应都可以在s m b 反应分离器中实现。 t i n k o v i c h 等通过引入s m b 概念大大提高了甲烷氧化耦合制造乙烯反应的转 化率和选择性。设备分为四个区，每区由一个处于高温的反应塔和两个较低温度 的分离塔组成，可以将反应物与生成物迅速分离，从而抑制了副反应的发生，反 应的回收率由微反应中的2 一1 0 提高到5 0 【1 6 ，17 1 。美国专利u s6 4 2 9 3 4 6 报道：在 s m b 设备中进行甲苯歧化生成苯与二甲苯的反应，在气相或超临界流体状态下进 行，以氢气为解吸气，苯由提余液排出，二甲苯由提取液排出，可以大大提高过 程的转化率。 m a z z o t t i 等在实验室模拟移动床反应器( s i m u l a t e dm o “n gb e dr e a c t o r ) 中 进行了乙酸和乙醇的酯化反应。床层中填充酸性离子交换树酯a m b e r l y s t l 5 ，此树 酯同时作为反应的催化剂和分离的吸附剂，过程中乙酸作为原料进入，乙醇作为 解吸剂进入，水作为强吸附组分由提取液口离开系统，乙酸乙酯作为弱吸附组分 由提余液口离开系统，实验中获得了1 0 0 的回收率，验证了s m b 的可行性 1 9 】。 z h a i l g 等报道了由甲醇和异丁醇在反应分离模拟移动床( s m b r ) 中反应合成 甲基叔丁基醚( m t b e ) 。反应为连串反应，首先由异丁醇生成丁烯和水，然后丁 烯和乙醇反应生成m t b e ，离子交换树脂m n b e r l y s t l 5 同时作为反应的催化剂和分 离的洗脱剂，甲醇和异丁醇作为原料进入系统，产物中的水作为强吸附组分由提 取液口离开系统，生成物中的m t b e 作为弱吸附组分由提余液口离开系统，以甲 醇作为解吸剂，反应温度3 2 8 k ，通过调整进料与吸附剂流量，各区段数和流量比 及阀门切换时间，可以使产率和分离度达到很高的水平，但却不能同时达到2 0 1 。 1 2 2 多组分分离 s m b 通常用于两组分的分离过程，如果进料中包含多个组分，而希望获得的 一3 一 浙江人学确| 。学位论文 组分为最强或最弱的吸附组分时，仍然可以当作两组分的分离来处理。而当希望 获得的组分为中间强度的吸附组分时，就产生了困难。如果进料中包含三个组分， 分别为强吸附组分a 、中间吸附组分b 以及弱吸附组分c ，若想获得中间吸附组分 b ，最直接的办法是采用两套s m b 装置：s m bi 和s m bi i 。在i 中将吸附性最强的组 分a 分离掉，然后在i i 中将吸附性最弱的组分c 去掉。 也有文献提出可以在一个具有8 区s m b 系统中完成三组分分离，流程示意图 如图1 1 ，其实质是两套s m b 系统衔接在一套s m b 中完成三组分的分离忙1 2 2 刀】。 上述方案在各各选方案中是比较复杂的，因而提出了在不同条件下的准最优方 案：当三组分中a 、b 相对于组分c 难分离时，将进料分为( a 、b ) 和c 然后分离 ( a 、b ) 的方案较优。 图1 18 区模拟移动床示意图 亡七i i 当三组分中三者难易分离程度相当时，m a t a 等针对此研究了这种被称为j o s m b 的操作方式，这种操作方式由两步构成，如图1 2 。第一步，固相不循环，原 料( f ) 和解吸剂( d ) 进入系统，由中i 日j 引出一般物料，在运转平稳后分离出中 问组分b ，此步运行时间比较短，主要作用是进料和排出b 组分，冲洗固定床；第 二步与普通的模拟移动床( s m b ) 过程类似，但是不进料，用解吸剂冲洗，分离 组分a 、c f 24 1 。 一4 一 浙江人学彻l 。学位论文 步骤i步辍i 可口 r _ 1 d 口一 图1 2 半连续模拟移动床分离三组分示意图 1 2 3 气相和超临界流体模拟移动床 在气相的条件下某些体系可能获得更好的结果。s t o n i 等在中试规模的气相 s m b 设备中分离混合二甲苯，只需要较少数目( 六根) 的柱子就获得了与工业 实用中液相相同的分离效果，每克吸附剂每小时可产出约o 1 1 5 克的高纯度产 品1 2 5 】。m a z z o n i 等也采用六根柱子的气相s m b 中试设备，分离c 5 ，c 6 正异构 烷烃，在4 4 8 和3 5 0 伽的条件下操作，以5 a 分子筛作为吸附剂，j 下庚烷 为解吸剂。实验结果表明纯度、回收率和产率都达到了实用水平。对于c 5 ，c 6 烷烃这样较轻的组分在气相条件f 进行分离更为有利，并且用于液相s m b 设 计的原则和方法在气相时同样适用俐。 在色谱分离中已有不少应用超i 临界流体进行洗脱的例子，在进行这些过程 的放大和连续化生产时就提出了超临界流体模拟移动床( s f c s m b ) 的问题。 s f c s m b 色谱综合了s f c 和s m b 这两种分离技术的优势。d c p t a 等将s f c 与 s m b 分离技术耦合来分离植物醇顺反异构体，他的分离柱由8 根内径3c m ， 长度可调的色谱柱组成，色谱柱内装填1 5 卢m 的l i c h m s p h e rs i6 0 填料5 0 岛 设计压力是4 0 坳口，设计温度是4 7 0k 植物醇顺反异构体经过s f c s m b 分 离后植物醇异构体化合物的纯度可以达到9 9 m 28 1 。 5 浙汀凡学坝i ，学化沦上 1 2 4 梯度模拟移动床 梯度模拟移动床可以分为温度梯度模拟移动床和溶剂梯度模拟移动床。它 们分别是通过温度、溶剂组成的变化改变溶质在各带的吸附强度而改变色谱的 分离性能。 h o u w i n g 等采用梯度s m b 离子交换色谱分离了蛋白质。梯度s m b 的进料 和洗脱液的流动相组成也不一样，与等度s m b 相比较，它更加节省流动相和 固定相的消耗犯9 1 。 1 2 5 国内研究现状评述 国内尚未有中试规模以上的模拟移动床开发的事例，关于模拟移动床的研 究，主要集中在实验室进行理论模拟仿真，研究单位主要有南京工业大学、江 南大学和浙江大学等单位。 其中，浙江大学宁波理工学院生物与制药工程系的危风、沈波和陈明杰等研 究了实验室条件下利用模拟移动床拆分奥美拉哗对映体m3 1 】，他们以乙醇为流动 相，用纤维素三苯基氨基甲酸酯涂敷型手性固定相在模拟移动床色谱上拆分了奥 美拉唑对映体，研究了柱子切换时间以及流动相内部流速对分离效果的影响。实 验室条件下，s 一奥美拉唑的浓度、产率和回收率随切换时间增加而增加，流动 相消耗和纯度则随之降低。降低内部流速，有利于改善分离，s 一奥美拉哗的纯 度最高可达9 6 4 。r 一奥美拉哗的纯度最高为8 8 4 。他们所用的s m b 系统的多 向阀及控制柜实物如图1 3 图1 4 。 图1 3 宁波理工大学s m b 系统的多向阀图1 4 宁波理工大学s m b 系统的控制柜 一6 一 幕一雾孵 浙江大学删 学位论文 江南大学徐玲，厉苏州等人研究用模拟移动床( s m b ) 色谱分离木糖醇母液 中的主要成分一木糖和木糖醇，并优化分离条件。首先，选择s m b 中的最佳固定 相，比较不同离子形式、粒径的离子交换树脂在分离木糖和木糖醇混合液时的分 离度，筛选出1 5 0 1 8 0 m 的钙型树脂为适合的固定相，单柱上分离度为o 9 7 ； 然后用s m b 分离木糖、木糖醇混合液，优化操作条件，使分离后的木糖、木糖醇质 量分数分别为9 9 3 、9 9 8 3 2 。此外，他们还在模拟移动床简化模型的辨识、 组分软纯度测量技术、计算机辅助系统的设计和动态矩阵控制等方面作了研究 【3 3 ，3 4 ，3 5 j 6 1 。建立了两组分( 以葡萄糖，果糖为例) 纯度的在线软测量模型，采用 n n a r m a x 模型作为模型辨识器，如图1 5 所示，采用b p 神经网络对模型进行逼 近。在m a t l a b 工作平台上进行了仿真，仿真结果如图1 6 一图1 8 所示，其柱配置 为2 2 2 2 。其结果也验证了上述方法的有效性。 ，仕萄 ，啮一1 ) l 僵前 u 轴一m d 4 恤一1 ) 图1 5n n a r m a x 模型辨识图 t ， 图1 6s m b 柱出口提取液浓度曲线( 5 0 个切换周期) 柱配置：2 2 2 2 o 岂 麓 图1 7s m b 柱出口提余液浓度曲线( 5 0 个切换周期) 浙江人学坝l 学位葩史 图1 8s m b 轴向浓度曲线( 5 0 个切换周期) 南京工业大学万红贵，方煜宇等主要研究了利用模拟移动床来分离氨基酸， 例如缬氨酸与丙氨酸的分离，i ，一苯丙氨酸的分离等盼弛】，其研究发现：l 一苯内氨 酸的吸附波稳定在区i i i ，吸附损失为零，每千克树脂对l 一苯丙氨酸的吸附量可达 到2 2 5 譬；l 一天冬氨酸、蛋白等杂质的解吸波稳定在区，先于l 一苯丙氨酸脱离 模拟移动床分离系统；i 。苯丙氨酸在区i 被集中解吸，解吸液中l 一苯丙氨酸的浓 度达到3 5 舭其操作参数见表1 1 表1 i ls m b 操作参数值 t a b l e l 1o p e r a t i o a lp a r a m e t e r so fs m b s e p a r a t i o n 1 3 主要研究内容 为了从多组分壳聚糖降解产物中分离出聚合度为6 的六丁寡糖，本论文在我 们已授权的国家发明专利多元分流式反应分离装黄及其方法的设计思路上， 结合数值模拟仿真的最新进展，开发了一种综合色谱分离特点和自动控制技术的 连续反应分离制备装置。主要是利用这套连续反应分离集成装置，从实验和理论 的角度探讨了壳寡糖的多组分集成分离特性及方法，获得了较好的应用效果。 8 一 浙江人学坝j 学位论文 在第二章中，探讨了连续色谱分离的基本原理，以及基于色谱分离原理建立 起来的固定床，移动床分离原理。同时提出了本课题独创的多元分流式集成反应 分离系统的概念，简要地介绍了其运行及控制过程，并比较了各种连续分离装置 的特点及优缺点。结果发现，固定床，移动床以及多元分流式集成反应分离系统 在基本原理上是相同的，在建立数学模型时可以通过改变初始条件等方法共同使 用同一种数学模型，这在数值处理的方面提供了便利。 在第三章中，主要进行固定床色谱分离系统及模拟移动床的建模研究。利用 连续色谱分离的特性，通过设置切换时间以及改变初始进料流速地办法，在固定 床色谱分离模型上建立了连续色谱的数学模型，在液相中使用有限元法，而在固 相中使用正交配置矩阵法对其传质偏微分方程的离散化，获得了连续色谱分离的 传质矩阵方程，并利用m a t l a b 的o d e 求解器对上述传质方程进行求解，最终可以 获得在系统出口处的浓度变化曲线以及色谱柱内的浓度分布曲线。 在第四章中，进行了连续分离提纯壳寡糖实验装研究。利用m c g s 工控软件编 制了该系统的阀门控制过程软件，并利用该程序控制多元分流式连续分离提纯壳 寡糖实验装置，进行了大量实验研究，实验得出了切换时问，分离效率，突破曲 线，吸附等温线等重要参数，对下一步工作有重要的指导价值。 在第五章中，通过固定床系统和模拟移动床系统的算例计算和分析，结合第 四章的试验结果，对连续反应分离装置的数值模拟结果进行了讨论，结果发现， 实验获得突破曲线和通过模拟计算获得的突破曲线拟合得较好。并在此基础上， 研究了柱长、轴向扩散系数、切换时间和备区流速等参数对连续分离过程的分离 性能影响，为以后针对连续色谱分离的进步研究提供了改进思路和方向。 在第六章中对本文所做的工作进行了简单扼要地总结，并指出了目前研究中 存在的不足和今后课题的研究方向。 一9 浙江大学倾l 。学位论立 第2 章连续色谱分离的机理研究 2 1 引言 色谱法通常用于实验室条件下各种化合物的混合物分离，它利用吸附剂对不用吸附 组分吸附能力不同而造成在色谱柱内迁移速度不同的现象，来达到快速有效的分离混合 物的目的，这种方法尤其适用于分离手性同分异构体和天然产物。人类研究色谱已经有 l o o 多年的历史，从固定床到移动床，再到模拟移动床，从实验室，到中试，再到工业 环境下，都已经作了很多的工作，线性推动力的引入，使得流动模型从非线性变成线性， 进而使得人们能够从数值模拟的角度来仿真，重现色谱分离的工程，并指导实践，但是 还是存在很多问题需要人们去解决，本章由分离机理的角度出发，阐述了连续色谱的分 离机理，并以模拟移动床为例建立了连续色谱分离的数学模型，再利用m a t l a b 强大的矩 阵运算能力探讨了如何求解连续色谱分离的数学模型。 2 2 色谱原理 2 2 1 色谱 色谱对不同组分进行分离，主要是利用各种组分在吸附剂中吸附能力的差别，造成 在装满吸附剂的色谱柱中的迁移速度不同束完成的。 ，图2 1 很好地表达了色谱的概念。液相混合物由上端加入一根装了合适 3 57 1 0 一7 4 54 6 5 31 1 31 0 0 一3 2 浙江人学硕l 学位论文 4 3 3 原料 壳寡耱( c h i t 0 一o l i g o s a c c h 撕d e ) ，又名葡萄糖胺寡糖，其分子式为( 已h 。0 。n ) 。，是由壳 聚糖降解以后的产物( 本文所使用的壳聚糖降解产物为采用生物发酵的方法获得壳寡糖、 壳单糖混合物) ，当水解产物聚合度比较低时，也叫做壳寡糖，或壳低聚糖( 一般为2 1 0 ) ， 其水溶性好，容易被吸收利用，具有很高的价值。其分子式如图4 。7 。尤其是当其聚合 度为6 时，本文的实验对象为六丁寡糖 7 2 7 3 丹l ，也就是聚合度为6 的壳寡糖，相应的壳 单糖特指聚合度为l 的壳低聚糖。 图4 7 壳聚糖结构式 对壳低聚糖的检测一般采用h p l c 高压液相色谱法，采用的是光谱分析的方法。其标 准样品( 1 0 馏钇) 的色谱图如图4 8 ，h p l c 一次进料体积0 0 1 耐。 、觚一 蚋1 2 i s l 砷 图4 8 四、五、六丁寡糖标准样品的肝l c 图谱 其中，横坐标表示保留时间t 。纵举标表示色谱面积，其中六丁寡糖的保留时间t 。 为1 3 7 ls ，其色谱面积为1 3 7 1 5 。另外，研究还发现，壳单糖的保留时间为6 4 2 4s 。 本文实验采用的原料液( 待分离液体) 均为生物发酵后经过过滤等措施得到的壳单糖和 六丁寡糖的混合液，还包含微量四丁寡糖等杂质。原料液的h p l c 图谱如图4 9 。 一3 3 浙江大学硕 学位论立 5 “ 图4 ，9 原料液的h p l c 图谱 其中，单糖的保留时间为6 4s ，寡糖的保留时问为1 3 5s 可以判断出混合液的 含量主要为单糖和六丁寡糖，其色谱峰面积值分别为单糖5 1 1 7 1 5 寡糖8 0 9 4 8 4 。相对应 的单糖和寡糖的含量为：单糖o t 2 3 2 却m d 撕) ，寡糖6 1 l o 。阳m d 砌三) 。 4 3 4 其他 为了便于采样及检测，实验中其他的用品有：浓盐酸、p h 试纸、量筒、l 三烧杯3 只，5 0 z 烧杯2 只等，实验前须配制p h = 1 的盐酸1 0 0 肌，p h = 5 的盐酸1l ，以及去离 子水等。 4 4 实验参数获取 对壳寡糖的研究是从无到有的过程，为了得到s m b 连续分离提纯壳寡糖的最佳分 离参数，我们针对p h ，操作流程等方面进行了探索，得到了许多重要参数，对以后进一 步的研究工作，有指导意义。 4 4 1 最佳洗脱液p h 值的获得 甲壳素是一种不耐热、耐腐蚀的结晶或无定形物，不溶于水、有机溶剂、稀酸和稀 碱，可溶于浓硫酸、浓盐酸、8 5 磷酸，同时发生降解，分子量由1 0 0 万一2 0 0 万明显降至 3 0 万一7 0 万，在p h = 3 时，壳聚糖的氨基可完全质子化。因此p h 值对壳寡糖溶液有明显 一3 4 一 删 哪 锄 删 珊 。 浙江人学硕1 + 学位论史 地影响。如图4 9 ( a ) 和4 9 ( b ) ，此图为第一次实验的结果，实验流程如表4 2 。 表4 ，2 色谱柱分离性能实验流程表 1 曲l e 4 2p r o c e s sd e s i g n e dt oc o n f j r mt h ea b i l i t yo fc h m m a t o g r a p b j cs e p a r a t i o 附注：a ) 实验流程i 是为了使原料液中的壳寡糖吸附在色谱柱上；b ) 流程l i 通去离子 水是为了将吸附柱中的壳单糖洗出；c ) 流程i i i 中通盐酸是为了用h + 离子将色谱柱中吸附 的壳寡糖交换出来，同时还原色谱柱，盐酸的浓度为按照水：浓盐酸的比例为1 ：3 配制的 盐酸溶液；d ) 流程i v 是为了清洗色谱柱，同时为下一次的实验作准备。 实验结果证明色谱吸附分离壳寡糖是可行的，如图4 1 0 ，单糖峰和壳寡糖蜂的时问差 约为5 棚加，但是由于第三个流程采用的盐酸浓度比较高，造成壳寡糖被解吸出来后大量水 解成单糖，如图4 1 1 。因此，为了获得一个最佳的盐酸解吸浓度，使壳寡糖不会水解，又 能够达到能被置换出柬沈脱的目的，需要测定p h 值对壳寡糖性能的影响。 7 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0f 2 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0： o5 图4 1 0 色谱柱分离性能实验o 1 5 m i n 色谱图 一3 s 浙7 人学硕1 学位论文 3 0 0 0 0 0 ( j 0 0 2 5 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 0 0 0 图4 1 l 色谱柱分离性能实验1 5 - 6 0 m i n 色谱图 为了得到最适合的酸洗p h 值，能够使得壳寡糖不会水解，特别安排了下面这个实验： 取原料液四份，分别与o o l 膨l ，o ，1 观，0 。5 尬z ，1 砒的盐酸等体积混合，观察壳寡糖的 降解效果。结合h p l c 的检测结果，得到了下面原料液降解实验中壳单糖在与酸混合后在 壳寡糖、壳单糖中的百分比含量如图4 1 2 所示。 由图4 ，1 2 可以得出以下结论：随着盐酸浓度的提高，4 6 糖降解程度不断加大，o o l 朋池的情况下降解程度和o 1 犹的降解程度相当，而在p h = 5 的酸中，壳寡糖几乎不水 解。图4 1 3 为原料中单糖和壳寡糖的百分比含量对比与原料和p h = 5 的盐酸l ：1 混合后 的单糖和壳寡糖的百分比含量对照图。 因而在实际操作中，采用p h = 4 的稀盐酸作为洗脱液，能达到洗脱的目的，而且不会 使得壳寡糖降解，事实上，在实际操作中，观测到采用去离子水作为洗脱剂，也能达到 洗脱的目的；而在实验第三个流程还原阳离子吸附柱时，采用p h = l 的盐酸作为清洗液体 以快速水解残留在吸附柱上的寡糖，从而达到还原阳离子吸附柱的目的。 图4 1 2 原料液降解实验样品百分比含量图 一3 6 一。一。 。 一 一 浙江人学删1 ：学位论史 4 4 2 柱隙率的获得 口寡糖 - 单精 图4 1 3p h = 5 的盐酸几乎不会使壳寡糖水解 在色谱柱内，全床隙率e 包含两个部分，第一部分为柱隙率，表示填料外部的空隙 大小，一般与堆积疏密程度有关，而且，实际上每根单根色谱柱的柱隙率几乎是不可能 相同的；第二部分为孔隙率，由填料内部的微孔引起，本文采用的c 1 1 5 e 聚甲基丙烯酸 的孔隙率为o 4 一o 5 之间。床隙率，孔隙率。柱隙率三者之间有关系式： f2 s 6 + ( 卜岛) 占p ( 4 1 ) 柱隙率可以采用实验的手段来获得。实验过程如f ： 选择新的干树脂，在装入色谱柱之前用水浸泡2 4 打使之充分溶胀，倾去水后洗至澄 清，然后加入p h = 1 的盐酸洗涤2 由以除去杂质，最后用水清洗到中性即可装柱。装柱时 柱内要保留一定高度的水面，树腊与水要混合加入，利用水的浮力使树脂自然沉积，操 作尽可能均匀连续，以避免柱内出现气泡。装满色谱柱之后排干色谱柱内的水分，利用 前文所说的多元分流式反应分离装置往色谱柱内加水，恒流泵流速8 5 历知j 以在通水 8 5 历动后液体充满，色谱柱尺寸为：2 5 脚( 内径) x 4 0 0 嬲( 长度) 。 柱隙率 矗：型生一：o - 3 6 8 4 0 x 二x 石2 5 x 2 5 4 ( 4 2 ) 全床总隙率 g = 毛+ ( 1 一气) s p o 6 5 2 ( 4 3 ) 一3 7 一 主嘶吼矾妣量喜吼姚撒肼j喜 浙江人学坝卜位论文 4 4 3 突破曲线的获取 为了确定床层的吸附能力，需要知道壳寡糖及