（应用化学专业论文）柠檬酸模拟移动床色谱分离的模拟、优化和放大研究.pdf

摘要 摘要 柠檬酸，化学名称2 羟基丙三羧酸，分子式c 6 h 8 0 7 ，是一种带有三个羟基的有机化 合物，被广泛应用于食品工业，制药工业，化学工业等领域。 在我国，柠檬酸传统工艺的高污染和高消耗等问题，引起了越来越多的关注。为此 先后发展了很多新型技术以解决此问题；其中由江南大学和无锡绿色分离应用技术研究 所开发的，仅以热水为分离推动源的模拟移动床柠檬酸色谱分离技术有很好的应用前 景。 从模拟移动床色谱技术生产柠檬酸的工艺流程可见，工艺过程非常简洁，除热水外 无需添加任何化学药品，因此也没有废物产生。这些特点无论就环境保护还是产品收率、 生产成本等而言都是相当诱人的，将其成功应用于工业化大生产后，对于柠檬酸工业将 是一场革命。令人兴奋的是，在研究所5 2 m m i d x l 7 0 0 m m x l 0 根柱的s m b 小试装置上 进行的大量试验运行结果良好。 工业色谱技术为难分离混合物的分离提供了强大的工具。而模拟移动床技术实现了 混合物的连续分离，具有许多优点，目前在柠檬酸色谱分离上已经看到很大的应用前景。 但是，由于模拟移动床技术自身的复杂性，从小试规模放大到大规模工业生产是一 颇具挑战性的课题。传统放大一般采用经验方式，由于其自身特点，在此过程中不再适 用；如此计算机模拟技术成为更合适的放大手段。为完成整个模拟放大工程，论文工作 主要集中在下面几个方面： 1 在分析级色谱柱( 4 6 t u m i d x2 5 0 m m l ) 上研究模型参数测定方法、模拟方法和参 数对分离效果的影响。 2 制备级色谱柱上研究确定模型参数，以及参数对分离效果的影响、色谱柱尺寸放 大过程的规律。 3 在5 2 m m l d x l 7 0 0 m m l x l 0 根柱的s m b 制备色谱上进行放大模拟和验证，确定符 合模拟柠檬酸色谱分离行为的数学模型，并初步探求操作优化条件。 4 在5 2 m m i d x l 7 0 0 m m l x l 0 根柱的s m b 制备色谱进行优化算法研究。 第一步，通过实验法测定了分析柱( 4 6 m m l d x 2 5 0 m m l ) 上各色谱模型参数：外孔 隙率( 示踪剂法) ：0 3 4 ；柠檬酸的传质系数( v a n d e e m t e r 曲线法) ：0 3 5 7 6 m i n ；葡 萄糖的传质系数( v a n d e e m t e r 曲线法) ：0 5 6 9 8 m i n 一；柠檬酸吸附等温线( 前沿分析法) ： 7 2 9 7 3 0 ( 1 + 0 4 8 4 0 屯) + 0 3 2 7 3 c 翻；葡萄糖吸附等温线( 前沿分析法) ： 1 3 0 6 6 c 咖嘟。 然后，采用多种色谱模型结合不同的求解方法模拟了柠檬酸和葡萄糖的单柱穿透曲 线。比较认为，从计算时间( 7 s ) 和模拟效果( 符合度a s = 9 7 ) 角度综合考虑，线上 法和扩散柱塞流模型是最佳选择。最后，详细研究了模型选择、求解方法和模型参数对 模拟结果的影响，结论总结如下： 摘要 1 色谱模型选择 对计算时间的影响：扩散柱塞流模型) 平衡扩散模型) 理想模型； 对模拟效果影响( 用符合度a s 表征) ：扩散柱塞流模型) 平衡扩散模型) 理想模型。 2 色谱模型求解方法 对计算时间的影响：有限元法) 有限差分法) 线上求解法； 对模拟效果影响：有限元法 线上求解法 有限差分法。 3 在所有模型参数中，吸附等温线对模拟结果影响最大。孔隙率的变化使穿透曲线 发生了平移，而不影响其穿透时间；传质系数的变化影响其穿透时间，而不改变其保留 时间；吸附等温线的变化即影响其穿透时间，又影响其保留时间。 第二步，首先，将分析柱上的模型参数放大到制备柱上，实验法得到：外孔隙率( 保 留时间反算法) ：0 3 5 ；柠檬酸的传质系数( v a n d e e m t e r 曲线法) ：0 3 3 7 3 m i n ；葡萄 糖的传质系数：0 5 3 5 8 m i n 一。逆向法确定了柠檬酸葡萄糖吸附等温线模型： 。2 而丽0 9 5 丽c 一+ o 0 3 8 ，= 雨丽7 磊6 4 4 丽c c a + o 4 2 。 然后，采用多步自适应线上求解法对制备级单柱色谱模型( 扩散柱塞流模型) 求解， 模拟结果显示，试验和模拟流出曲线的偏差d e v = 0 0 1 2 ，说明，该色谱模型很好地描述 了柠檬酸葡萄糖在制备级色谱单柱上分离行为。 第三步，考虑各柱之间的进出口转换机制，在已建立的制各级单柱色谱模型( 扩散 柱塞流模型) 基础上，建立了模拟移动床模型。在多步自适应线上法的基础上建立了模 拟移动床色谱模型求解方法。 计算机运行结果表明，试验和模拟曲线的符合度( f i t ) 为9 6 3 5 ，这说明已建立 的模拟移动床模型及其求解方法很好的解释了柠檬酸模拟移动床色谱分离行为。 第四步，采用三角形理论和直接优化法对柠檬酸模拟移动床色谱分离过程进行了优化研 究。在柠檬酸葡萄糖竞争吸附等温线的基础上，建立了完全分离三角形( 下图) ，通过 大量仿真试验得到了最佳操作点位置s 3 ，最佳操作条件为：洗脱剂流量( 5 5 5 1 l h ) ， 进料流量( 1 0 2 6 l h ) ，提取液流量( 2 7 3 8 l h ) ，提余液流量( 3 8 3 9 l h ) ，切换时间 ( 0 3 4 0 h ) ，分离效果：提取液纯度( 9 9 6 ) ，提余液纯度( 9 4 3 ) 。 摘要 然后，以最小分离成本为目标，以四区流量和切换时间为变量建立了直接优化模型： 目标函数：m i n = c s p e c ( 分离成本) f 巳一1 ，i 一巳 ， _ 尸，曲 其中 l 尸“锄 一p 材锄 血n q s = ( 1 一毛) 彳三f 删 绕咧a 肛a 胸 q 1 ) - q s 。f l l - a g b 吣 q i v = 9 ( a 肛 g i = s p c i + ( 1 一占p ) 研( q ) 三角形理论得到的最佳操作点作为直接优化法的初始值，采用二次优化法求解直接优化 模型，得到最佳操作条件；洗脱剂流量( 5 1 3 9 l h ) ，进料流量( 1 3 4 3 l h ) ，提取液流 量( 2 9 3 9 l h ) ，提余液流量( 3 5 4 3 l h ) ，切换时间( o 3 5 6 h ) ，分离效果：提取液纯 度( 9 9 7 ) ，提余液纯度( 9 5 4 ) 。采用直接优化法得到的最佳操作条件设计试验，分 离结果：提取液纯度( 9 9 7 ) ，提余液纯度( 9 5 3 ) 。 关键词：模拟移动床；柠檬酸；建模；仿真；优化 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t c i t r i ca c i do r2 - h y d r o x y 一1 ，2 ，3 一p r o p a n e t r i c a r b o x y l i ca c i d ( m o l e c u l a rf o r m u l a ：c 6 h 8 0 7 ) ，a l l o r g a n i cc a r b o x y l i ca c i dc o n t a i n i n gt h r e ec a r b o x y lg r o u p s ，i sa p p l i e di nt h ef i e l do ff o o d ， m e d i c a t i o n ，c h e m i s t r ya n de t c a sw e l lk n o w n ，c i t r i ca c i d ( c a ) i n d u s t r yh a sb e e na l r e a d yr e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o n sf o r i t se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m ，h i g hc o n s u m p t i o ne t c m a n yl a t e - m o d e lp r o c e s s e sh a v eb e e n d e v e l o p e d i na l lp r o c e s s e s ，t h es i m u l a t e dm o v i n gb e d ( s m b ) c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o n p r o c e s s ，i nt h a to n l yt h eh o tw a t e ri su s e da st h ei m p e t u s ，h a sb e e nd e v e l o p e db ys o u t h e r n y a n g t z eu n i v e r s i t ya n dw u x ig r e e ns e p a r a t i o na p p l i e dt e c h n o l o g yi n s t i t u t ec o l t d ，i sv e r y p r o m i s i n g a sc a nb es e e nf o r mt h ef l o w c h a r to fs m b p r o c e s sf o rs e p a r a t i n gc a e x c e p th o tw a t e rn o a n yo t h e rc h e m i c a lm e d i c i n eh a sb e e na d d e di n t ot h i sv e r ys h o r tp r o c e s s t h e s ec h a r a c t e r i s t i c s a r ec o m e h i t h e ri nb o t he n v i r o n m e n ta n de c o n o m y i tw i l ib ear e v o l u t i o nf o rc a p r o d u c t i o n i ft h i sp r o c e s sc o m e st r u ei n t ot h em a s sp r o d u c t i o n e x c i t i n g l y , w eh a v ea l r e a d ys e tu pa p i l o t s c a l es m bs y s t e m ( 5 2 m m l d x l 7 0 0 m m l x l o c o l u m n s ) f o rc as e p a r a t i o ni no u ri n s t i t u t e w h i c hp e r f o r m sv e r yw e l l a5 0 0 0 州c ai n d u s t r i a lp l a n t ( 12 0 0 m m l d x4 5 0 0 m m l x1o c o l u m n s ) i sr u n n i n gi ny i x i n gx i e l i a nb i o c h e m i s t r yc o ，l t d a n da10 ，0 0 0t yc a i n d u s t r i a l p l a n ta l s ow i l lb eb u i l ds o o n c h r o m a t o g r a p h yi sav e r yp o w e r f u ls e p a r a t i o nm e t h o d t h es m bp r o c e s sa l l o w sc o n t i n u o u s s e p a r a t i o no p e r a t i o n , w h i c hp r o v i d e sm a n ya d v a n t a g e sa n da l s oh a se x c e l l e n tp e r s p e c t i v e si n t h ef i e l do fc ap r o d u c t i o n b u td u et ot h eo p e r a t i o n a lc o m p l e x i t yo fs m bs y s t e m ，t oe n l a r g et h ee q u i p m e n tf r o mt h e l a b o r a t o r i a lt ot h ei n d u s t r i a ls i z ei sq u i t ec h a l l e n g i n g t h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d so fs c a l i n gu p a l en o ts u i t e d i nt h i sc a s e ，c o m p u t e rs i m u l a t i o ni sb e c o m i n gap o w e r f u la n dc h a l l e n g i n gt 0 0 1 t oa c h i e v et h i ss c a l i n gu pg o a l ，f o u rs t e p sc a nb ed e s i g n e d ： 1 f i r s t l y , d e t e r m i n i n gt h em o d e lp a r a m e t e r sa n di n v e s t i g a t i n gi n f l u e n c e m o d e lp a r a m e t e r s ，a l g o r i t h mu s i n ga n a l y t i c a lc h r o m a t o g r a p h i cc o l u m n 2 f i r s t l y , d e t e r m i n i n gt h em o d e lp a r a m e t e r sa n di n v e s t i g a t i n gi n f l u e n c e m o d e lp a r a m e t e r s ，a l g o r i t h mw i t h5 2 m m l dx17 0 0 m m lc o l u m n 4 o ns e p e r t a t i o no f o ns e p e r t a t i o no f m o d e l i n ga n ds i m u l a t i n go nt h es m bs y s t e mw i t l l5 2 m m i d x 17 0 0 m m l x10c o l u m n s ，a n d c h e c k i n gt h ec o n c e n t r a t i o np r o f i l e so fc aa n dg l u c o s et om a k es u r eam o d e la n do p t i m i z e i t ss e p a r a t i o np e r f o r m a n c e s l a s t l y , o p t i m i z i n gi t ss e p a r a t i o np e r f o r m a n c e so nt h i sp r e p a r a t i v es m b s t e p1 ，s e v e r a le x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt od e r t e r m i n em o d e lp a r a m e t e r so na n a l y t i c a l i v a b s t r a c t c o l u m n ( 4 6 m m l d x 2 5 0 m m l ) ：e x t e r n a lp o r o s i t y ( t r a c e rm e t h o d ) ：0 3 4 ；t r a n s f e rc o e 筒c i e n t ( g u l c o s e ，v a n - d e e m t e rm e t h o d ) ：0 5 6 9 8 m i n 1 ；t r a n s f e rc o e f f i c i e n t ( c i t r i ca c i d ，v a n d e e m t e r m e t h o d ) ：0 3 5 7 6 m 甜1 ；a d s o r p t i o ni s o t h e r m s ( c i t r i ca c i d ， f r o n t a l a n a l y s i s ) ： 7 2 9 7 3 0 ( 1 + 0 4 8 4 0 ) + o 3 2 7 3 c 翻；a d s o r p t i o ni s o t h e r m s ( g l u c o s e ，f r o n t a la n a l y s i s ) ： 1 3 0 6 6 c 咖螂。t h e n , t h es i m u l a t i o n so fb r e a k t h r o u g hc u r v eo fg l u c o s ea n dc ao n as i n g l e a n a l y l ：i c a lc o l u m na r ei m p l e m e n t e dw i t hs e v e r a ld i f f e r e n td y n a m i cm o d e l s ：i d e a lm o d e l ， e q u i l i b r i u md i s p e r s e dm o d e l ( e dm o d e l ) a n dd i s p e r s e dp l u gf l o wm o d e l ( d p fm o d e l ) f o r t h ep u r p o s eo fp r o c e s ss i m u l a t i o n ，s e v e r a lm e t h o d sf o rt h es o l u t i o no ft h em o d e le q u a t i o n sa r e a v a i l a b l e ：f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d s ( f d m ) ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d s ( f e m ) ，o r t h o g o n a l c o l l e c t i o nm e t h o d s ( o c m ) a n dm e t h o d so fl i n e s ( m o l ) a f t e rm u c hc a l c u l a t i o n t h ep d f m o d e lw i t ht h em o li st h o u g h tt oa d v i s a b l e ( c p ut i m e = 7 s ，a s = 9 7 ) o ns e c o n dt h o u g h t s ， t h ei n f l u e n c e so fv a r i o u ss y s t e mp a r a m e t e r so nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h ef o l l o 、析n gc o n c l u s i o n sc a l lb ed r a w n ： 1 a d s o r p t i o ni s o t h e r mi st h em o s th y p e r s e n s i t i v ei na l lp a r a m e t e r s ，s o ，u s u a l l yr e q u i r e sa n a c c u r a t ee s t i m a t i o n 2 i n f l u e n c e so fc h r o m a t o g r a p h i cm o d e lo nc p ut i m e ：d p f e d m i d m i n f l u e n c e so f c h r o m a t o g r a p h i cm o d e lo ns i m u l a t e dr e s u l t ：d p f i d m e d m 3 i n f l u e n c e so fs i m u a l t i o na l g o r i t h mo nc p ut i m e ：f e m f d m m o l i n f l u e n c e so f s i m u a l t i o na l g o r i t h mo ns i m u l a t e dr e s u l t ：f e m m o l f d m s t e p2 ，f i r s t l y ，t h ep a r a m e t e r so fa n a l y t i c a lc o l u m na r ee n l a r g e dt ot h ep r e p a r a t i v ec o l u m n ( 5 2 m m l d x17 0 0 m m l ) s e v e r a le x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e d ：e x t e m a lp o r o s i t y ( r e t e n t i o nt i m e m e t h o d ) ：0 3 5 ；t r a n s f e rc o e f f i c i e n t ( g u l c o s c ，v a n - d e e m t e rm e t h o d ) ：o 5 3 5 8 m i n - 1 ；t r a n s f e r c o e f f i c i e n t ( c i t r i ca c i d ，v a n - d e e m t e rm e t h o d ) ：0 3 3 7 3 6 m i n 一a d s o p t i o ni s o t h e r mo fc i t r i c a c i da n dg l u c o s ei sv e r yi m p o r t a n ta n di sd e t e r m i n e dw i t hi n v e r s em e t h o d ： 一2 瓦丽透兰篱石i + o 0 3 8 。，弛= 百石瓦7 6 = 4 4 = c 丽c a + o 4 2 l a s t l y ，t h i sc h r o m a t o g r a p i cm o d e l ( p d f ) i ss o l v e db ys e l f - a d a p t i o nm e t h o do fl i n e sa n dr e s u l t s h o w st h ed e v i a t i o no fe x p e r i m e n t a lc u r v ea n ds i m u l a t e dc u r v ei sn e g l e c t a b l e ( 0 012 ) s t e p3 ，c o n n e c t i n gt h ed y n a m i cm o d e l so ft h es i n g l ec h r o m a t o g r a p h i cc o l u m n sw h i l e c o n s i d e r i n gt h ec y c l i cp o r ts w i t c h i n g ，ad y n a m i cm o d e lo ft h es m bp r o c e s s0c a l lb e d e v e l o p e d c o m p a r i s o n sw e r em a d eb e t w e e nt h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n ta n dt h ea g r e e m e n tp e r f o r m sv e r yw e l l ( f i t - - 9 6 3 5 ) i np a r t i c u l a r ，t h ec h o s e n m o d e la n dm e t h o dw h i c hd i s c r e d i t e dt h ep a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n sl i n k i n gm o l p r o v et o b ev e r ye f f i c i e n ta n dr o b u s t s t e p4 ，t w om e t h o d sa r ee m p l o y e dt oo p t i m i z es m bc h r o m a t o g r a p h y ：t r i a n g l et h e o r yb a s e d o nt h ee q u i l i b r i u mt h e o r ya n dm a t h e m a t i co p t i m i z a t i o nm o d e lw i t ho b j e c t i o no fm i n i m u m c o n s u m p t i o n f i r s t , c o m p l e t es e p e r a t at r i a n g l eo fc i t r i ca c i da n dg l u c o s ei sb u i l ta n dt h eb e s t o p e r a t es e ti ss 3 ：d e s o r b e n tf l u x ( 5 5 5 1 l h ) ，f e e df l u x ( 1 0 2 6 l h ) ，e x t r a c tf l u x ( 2 7 3 8 l h ) ， v a b s t r a c t r a f f i n a t ef l u x ( 3 8 3 9 l h ) ，s w i t c h i n gt i m e ( 0 3 4 0 l h ) t h e nt h em a t h e m a t i cm o d e li s ： o bje c tio n ：m i n = c s p e c ( s e p a r a t i o nc o st ) i e m i 一 ， - p ，l i l i n w h e r e 【尸甜7 面 = 尸甜7 妨，l i l i 。 o s = ( 1 - e b ) a l r 。i 瑚 q = 9 ( a , 6 1a g b 肋 鳊= 9 ( a 肛a 脚 鳓= 9 ( a 肛吒) ) g i = e p c i + ( 1 一s ，) g ，( q ) w h i c hs o l v e db ys q pa l g o r i t h ma n dt h eo p t i m a ls e ti sd e s o r b e n tf l u x ( 5 13 9 l h ) ，f e e df l u x ( 1 3 4 3 l h ) ，e x t r a c tf l u x ( 2 9 3 9 l h ) ，r a f f i n a t ef l u x ( 3 5 4 3 l h ) ，s w i t c h i n gt i m e ( 0 3 5 6 l h ) - k e y w o r d s ：s i m u l a t e dm o v i n gb e d ；c i t r i ca c i d ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：趔建叠 e l 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 塞塑堇壶 导师签名： e l 期： 彰潮 i w 锄讶。0 7 玲 第一章前言 第一章前言 1 1 研究背景 1 1 1 柠檬酸概述 柠檬酸，又名枸橼酸，化学名称2 一羟基丙三羧酸，分子式c 6 h 8 0 7 h 2 0 ，是一种带 有三个羟基的有机酸。产品在室温下为固体，熔点1 5 3 。c ，高温下易分解，柠檬、柑橘、 菠萝等水果中均含有这种有机酸。柠檬酸主要应用于食品工业，作为食品的酸味料和油 脂的抗氧化剂，其次用于医药工业、塑料工业等。 我国是世界上最大的柠檬酸生产和出口国，2 0 0 6 年，我国柠檬酸的产量为6 5 万吨， 出n 4 5 万吨，产量和出口量均居世界第一位。但我国的柠檬酸工业化生产从开始一直沿 用至今的“钙盐法”分离提取工艺繁琐，且易产生大量难以利用的湿石膏，成为企业的 包袱，并造成严重污染。因此在工业上急需开发出无三废污染、工艺过程简单、收率高、 生产成本大幅度降低的柠檬酸清洁化生产新工艺。 1 1 2 柠檬酸生产工艺 众所周知，柠檬酸的工业生产采用发酵法。发酵产生柠檬酸后，发酵液中还有很多 杂质，比如：残糖，蛋白质，色素，胶体，无机盐和残余原料等。为了得到符合高质量 标准要求的柠檬酸产品，必须对发酵液进行一系列物理和化学处理。目前，国内应用最 广泛的柠檬酸生产工艺是钙盐法，首先将钙盐加入到柠檬酸发酵液中，通过过滤得到柠 檬酸钙，然后在柠檬酸钙中加入硫酸，得到柠檬酸，生产流程见图卜1 。 图i - 1 柠檬酸传统分离工艺流程 f i g 1 1t h ef l o w - s h e e to fc a l c i u ms e d i m e n t a ti o np f o c e ss 图卜2 柠檬酸模拟移动床色谱分离工艺流程 f i g 1 2a no v e r v i e wp r o c e s sf l o w c h a r to f t h es i m u l a t e dm o v i n gb e dp r o c e s s 江南大学硕士学位论文 表1 - 1 生产每万吨柠檬酸产生的污染 t a b 1 - ip o ll u ti 0 1 1f r o mt e nt h o u s a n dt o nc it r i ca c i d 钙盐法生产柠檬酸的工艺流程和表1 1 可见，钙盐法存在很多缺点，尤其是严重的 环境污染和高生产消耗。为解决这些问题，人们发展了很多新生产工艺，例如溶剂萃取 法、离子交换法和模拟移动床( s i m u l a t e dm o v i n gb e d ，简称s m b ) 色谱法，前两种方 法并没有从根本上解决问题，只有模拟移动床色谱技术成功地从根本上解决了传统工艺 的污染和消耗问题。 图1 - 2 给出了模拟移动床色谱法生产柠檬酸的新工艺流程。从模拟移动床色谱技术 生产柠檬酸的工艺流程可见，工艺过程非常简洁，除热水外无需添加任何化学药品，因 此也没有废物产生。 1 1 3 柠檬酸模拟移动床色谱分离工艺 色谱是一种重要的分离手段，定义为：“一种常用于实验室中的分离方法，它通过吸 附作用使混合物得到高效地分离，这项技术特别适用于分离天然产物。 s m b 色谱分离技术是在传统的固定床吸附操作、真实移动床( t r u em o v i n gb e d ， 简称t m b ) 色谱分离技术的基础上发展起来一种新型分离技术1 1 4 1 。基于传统的固定床 吸附操作的冲洗色谱分离技术虽然其设备简单，但由于其间歇不连续性，使其处理量小、 效率低，极大的限制了它在工业中的应用；而真实移动床色谱分离技术虽然可以较固定 床操作增加处理量，提高效率，但是在吸附剂颗粒逆流运行中不可避免会出现一些缺点。 比如颗粒易磨损破碎并生成粉末，进入管道后可能使管道堵塞造成流速下降；同时吸附 剂颗粒移动造成床层膨胀，影响床内的流体分布，产生沟流和返混等，使操作工艺和分 离条件变得更加复杂。模拟移动床色谱分离技术是在上述分离技术的基础上发展起来 的。由于它通过将液体出入口的位置不断切换来实现固体吸附剂的模拟移动，从整个过 程来看它是个连续的过程，所以能综合固定床和真实移动床的优点，可以很好的解决 上述两种分离技术出现的问题。 假定待分离的两组分分别为a 和b ，并假定a 组分的吸附能力较b 组分强。d 为 洗脱液( d e s o r b e n t ) ，e 为提取液( e x t r a c t ) ，f 为进料( f e e d ) ，r 为提余液( r a f f i n a t e ) 。其工 作原理如图1 3 所示。按照液体出入口位置和所起作用不同整个床体可以分为4 个区( 分 别记为i 、i i 、) ，每个区完成一个特定功能。 i 区( z o n ei ) ：强吸附组分a 的解析区。新鲜的洗脱液d 从i 区的底部进入， 和吸附剂进行接触，将a 组分冲洗解析出来，然后从该区项部的提取液出口处排出，从 而得到提取液( e x t r a c t ) ： i i 区( z o n ei i ) ：弱吸附组分b 的解析区。从i 区进入i i 区的液体中( 包含a 和d ) 由于组分a 的吸附能力强于b 组分，所以i i 区中的b 组分会被a 组分不断置换出来， 并随流动的液体和新鲜的进料( a 和b ) 起进入i i i 区； i 区( z o n ei i i ) ：强吸附组分a 的吸附区。b 通过向下流动的液体从提余液出口处 2 第一章前言 排出，得到提余液( r a 衔n a t e ) ； 区( z o n e1 v ) ：洗脱液d 的再生区，以减少洗脱液的用量。由于区d 的浓度 比从i 区流入区的d 的浓度高得多( 因为在上一个切换周期时，该区为i 区，洗脱液 d 冲洗a 后被吸附剂大量吸附，故其浓度很高) 。所以吸附平衡将重新建立，洗脱液d 将解析出来，从而实现再生。再生后的洗脱液d 和新鲜的洗脱液d 一起流入i 区。 通过液体出入口位置沿图1 3 所示的切换方向不断切换，模拟固定相吸附剂的逆向 流动，从而可达到与t m b 等效的效果。 d e s o r b e n tde x t r a c te r a f f i n a t er f e e dd + a + b 图1 - 3 四区s m b 分离过程示意图 f i g 1 3s c h e m a ti co ff o u r z o n e si m u l a t e dm o v i n gb e d 由于s m b 设备及操作的复杂性，缺少s m b 理论框架和工艺模型的模拟程序使s m b 色谱分离技术在我国尚处于起步阶段；在国外，研究工作者们则立足于用色谱模型来模 拟组分在柱中的分离情况，并从理论上研究各操作参数对最终产品纯度、收率等的影响。 利用色谱模型对s m b 进行仿真与优化研究可大大减少实验次数，节约实验成本，为工 业生产的放大预测与优化控制提供依据，因此色谱模型对于s m b 的操作具有指导性作 用。 1 2 课题意义及研究内容 江南大学、无锡绿色分离技术研究所和宜兴协联生物化学有限公司联合进行了年产 5 0 0 0 吨柠檬酸项目的开发，并计划在此基础上将其放大到年产10 0 0 0 吨规模，本论文正 是此工程的一部分。从模拟移动床技术分离柠檬酸的工艺，无论就环境保护还是生产消 耗等而言都是相当诱人的，将其成功应用于工业化大生产后，对于柠檬酸工业将是一场 革命。令人兴奋的是，在研究所5 2 m m l d x l 7 0 0 m m x l 0 根柱的s m b 小试装置上进行的 大量试验运行结果良好。 但是，由于模拟移动床技术自身的复杂性，从小试规模放大到大规模工业生产是一 江南大学硕+ 学位论文 个颇具挑战性的课题。传统放大一般采用经验方式，由于其自身的特点，在此过程中不 再适用；在这种情况下，计算机模拟技术成了一个更为合适的放大手段。论文的工作分 成如下四步进行： ( 1 ) 分析柱( 4 6 t u m i d 2 5 0 m m l ) 色谱模拟研究 分析柱色谱模型参数测定：前沿分析法测定柠檬酸和葡萄糖吸附等温线模型；示踪 剂法测定分析柱孔隙率；v a n d e e m t e r 曲线法测定轴向扩散系数和传质系数。 分析柱色谱模拟研究：比较研究色谱模型的选择、模型参数和求解方法对模拟结果 的影响规律。 ( 2 ) 制各级单柱( 5 2 m m l d x l 7 0 0 m m ) 色谱模拟研究 色谱模型参数的放大：研究随着色谱柱的放大( 分析柱放大到制备柱) ，模型参数 的确定方法。 制备级色谱模拟研究：研究模型参数、模型的选择和求解方法对模拟的影响。 ( 3 ) 制备级模拟移动床( 5 2 t u m i d x1 7 0 0 m i n x10 ) 色谱模拟研究 对柠檬酸葡萄糖体系在自制的模拟移动床上进行建模仿真研究，比较模型仿真值与 实验值找到适用于该体系的模型，为模拟移动床连续工业化放大与运行提供模型依据。 ( 4 ) 制各级模拟移动床色谱优化研究 模拟移动床色谱的三角形理论优化：利用柠檬酸葡萄糖体系的竞争吸附等温线，建 立柠檬酸s m b 分离的完全分离三角形，通过仿真实验找到最佳操作点。 数学模型直接优化法：以分离成本为目标建立直接优化数学模型，通过求解得到最 佳操作条件。 4 第二章色谱模拟基础理论 第二章色谱模拟基础理论 关于色谱建模存在着很多不同复杂程度的理论，对这些理论进行归纳总结，是必要 的也是必须的。 2 1 色谱模型 单柱色谱模型是模拟移动床色谱建模仿真的基础，s m b 模型仅是在考虑边界条件和 初始条件基础上的单柱模型的组合。文献中报道了很多种模型，最常用的有理想模型、 平衡扩散模型和扩散柱塞流模型 6 - 1 1 】。 2 1 1 色谱内的传质和对流现象 考虑色谱分离过程中流动相流过理想的、球形多孔粒子组成的固定相。固定相的组 成见图2 - 1 ，在研究流动相和固定相之间的传质过程之前必须作相应的假设。假设固定 相和流动相之间存在一个薄层，称为液膜，固定相和流动相之间的传质都是通过液膜发 生的。液膜理论认为，固定相和流动相之间传质的动力来源于液体在固定相和流动相上 的浓度差，于是人们建立了线性推动力方程和二次推动力方程来描述传质效应。另外在 流动相内存在着轴向扩散效应，它使得色谱流出曲线扩展。 卜一z ，_ m o b i l e p h a 锯 e 受 k 一 卜_ 壶一l _ 图2 - 1 色谱柱剖面图 f i g 2 - 1a n a t o m yo fac h r o m a t o g r a p h i cc o l u m n 考虑传质和对流现象必须结合实际，当流速大于某一临界条件时，流动相内的对流 和扩散是控制因素，但当流速小于这一临界条件时，液固相之间的传质效应是控制因素。 在实际问题，以下因素影响传质和对流效应：分子的大小；固定相颗粒和孔径大小；流 动相的溶解性和黏度；孔隙率大小；混和物的吸附能力。 2 1 2 色谱模型模型 依据上面的动力学研究，人们建立了很多模型来描述各种效应【5 , 9 , 1 0 ，但每种模型都 是基于一定的假设而建立起来的，般的假设有5 , 6 , 1 1 - 1 4 1 ：样品各组分在两相之中的偏摩 尔体积相同；色谱运行过程中是等温的，系统运行过程中温度保持一致；移动相和固定 5 江南人学硕十学位论文 相间平衡瞬间达到；薄膜传质机理适用于描述流动相和粒子之间的界面传质；进柱和出 柱的死体积可以忽略不计。 图2 2 给出了可能存在的传质现象以及在此假设下建立的模型，其中最复杂的是综 合速率模型，它几乎考虑了所有非理想因素：流动相的对流传质和轴向扩散效应；颗粒 相内的扩散、颗粒表面和大孔间的吸附平衡；流动相和颗粒大孔通过流动相液膜进行的 物质传递效应；最简单得的是理想模型，它仅考虑了固定相吸附和对流传质效应。所有 模型综合分类见图2 3 【l 博j ， a d s p h a s e l l b u l