SFC制备EPA和DHA乙酯过程中上载量和流速的影响.docx

1、第21卷第2期高校化学工程学报No.2Vbl.212007年4月JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesApr.2007文章编号：1003-9015(2007)02-0189-05SFC制备EPA和DHA乙酯过程中上载量和流速的彰响韩一松，任其龙，杨亦文，张海，吴平东(浙江大学化学工程与生物工程学系二次资源化工国家专业实验室，浙江杭州310027)摘要：以超临界C0)为流动相ODSE18为固定相，以尿素包络法处理后的鱼油乙酯化物为原料，柱温为55C,柱前压为12.1MPa,改变载里和流动相流速，测定了二十碳五烯酸乙酯(EPA-EE)和二

2、十二碳六嫦酸乙酯(DHA-EE)的色谱动态特性.结果表明，EPA-EE与DHA-EE之间的分离良好，但原料中其他脂肪酸乙酣杂质不能分离.适当切割流出物馋分，EPA-EE的纯度可达90%,DHA-EE可达75%,根据实验结果考察了载鼠和流动相流速对制备色谱效能的影响.色谱柱的生产能力随流速的增大而增大.在EPA-EE纯度一定的前提下，色谱柱的生产能力随载量的增大而增大，但载陡过大则生产能力又会减小.当EPA-EE纯度要求在85%以下时，载最对其回收率的影响不大，CO?消耗量(每单位重量产品的消耗)随着载量的增大而减少；纯度要求在90%以上时，回收率随我量的增大而明显减小，CO2消耗量随载量的变化

3、有最低点，在载量为4.076mLf'Bt为最小.EPA-EE纯度要求为90%时，适宜载量为7.13mLV1,流动相流速为3.928gmin-*,此时色谱柱的生产能力为2.41gh-'L-*,EPA-EE回收率为37.8%.同时得到的DHA-EE的纯度为75%,回收率为88.8%.关fit词：超临界流体色谱(SFC)：二十碳五烯酸乙配(EPA-EE)；二十二碳六嫦酸乙酯(DHA-EE)：色谱效能中图分类号：0658；TQ225.12文献标识码：AEffectsofLoadingandFlowRateonthePreparationofEPA-EEandDHA-EEbySuperc

4、riticalFluidChromatographyHANYi-song,RENQi-long,YANGYi-wen,ZHANGHai,WUPing-dong(NationalLaboratoryofSecondaryResourcesChemicalEngineering,DepartmentofChemicalandBiochemicalEngineeringZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:Eicosapcntacnoicacidethylester(EPA-EE)anddocosahexaenoicacidethylest

5、er(DHA-EE)wereseparatedfromethylesteroffishoilbysupercriticalfluidchromatographywiththestationaryphaseC18,andthemobilephasesupercriticalfluidCO?under12.1MPaand55'C.Chromatographiccharacteristicsweredeterminedatvariousloadingsandflowrates.ItwasfoundthatEPA-EEandDHA-EEwerewellseparated,butotherest

6、ersoffattyacidspresentedinthefeedcouldnotbeseparated.Byappropriatelycuttingtheeffluent,EPA-EEwith90%purityandDHA-EEwith75%puritywereobtained.Basedonthechromatographiccurves,theeffectsofloadingandflowrateofmobilephaseontheperformanceofthecolumnwerestudied.Theresultsarcasfollows.Theproductivityoftheco

7、lumnincreaseslinearlywithflowrateofmobilephase.ForagivenpurityofEPA-EE,theproductivityincreaseswithloadingtosomeextent,thendecreaseswithfurtherincreaseofloading.ForEPA-EEpuritylessthan85%,recoveryofEPA-EEchangeslittlewithloading,andtheconsumptionofcarbondioxidebasedonunitproductdecreasesastheloading

8、increases.ForEPA-EEpuritygreaterthan90%,astheloadingincreases,recoveryofEPA-EEdecreasesremarkably,andthecurveofCO2consumptionversusloadinghasaminimumconsumptionpointattheloadingof4.076mLL-1.Under12.1MPaand55C,thesuitableconditionsforpreparationof90%EPA-EEareloadingof7.13mLL-1andCO：flowrateof3.928gmi

9、n'.Meanwhiletheproductivityof90%EPA-EEis2.41gh*-L_,witharecoveryof37.8%andthepurityofDHA-EEis75%witharecoveryof88.8%.Keywords:supercriticalfluidchromatography;cicosapentacnoicacid-EE;docosahexaenoicacid-EE;chromatographycharacteristic收稿日期，2005-09-12；修订日期，200602-24.作者插介：侨一松(I979-).躬.浙江桃州人.浙江大学博士生

10、通机联系人，吴平东.E-mail：wupd1引言二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)是人体必需的(o3型多烯不饱和脂肪酸，在治疗和防治心脑血管疾病、炎症、抑制肿瘤以及预防老年痴呆等方面具有较好的疗效。EPA和DHA以甘油酯的形态存在于鱼油中，一般先将其转化为乙酯形式，即EPA-EE和DHA.EE,然后再加以提取和利用。Alkio、MichihiroYamaguchi、Pettinello防分别以C18、涂覆银离子的硅胶、硅胶作为固定相，用超临界流体色谱法对EPA-EE和DHA-EE进行分离。杨亦文等间比较了硅胶和C18作为固定相的分离情况，王宪达等进一步研究了分离条件对分离度的影响

11、。本文拟在本实验室原有工作的基础上，以C18为固定相，超临界二氧化碳为流动相，研究在色谱柱超载情况下EPA-EE和DHA-EE色谱行为的动态特性，着重考察流速和载量对EPA-EE的纯度、回收率、设备生产能力以及CO?消耗量的影响，为该工艺的放大提供基础数据。3I»=图1收集装置Fig.lCollectionapparatus1.pressureregulator2.six-wayvalve3.fractioncollector4.six-wayvalve5.pressurcgauge6.pressurcregulator7.flowmctcr2实验部分2.1仪器与试剂实验装置的流程与

12、文献4基本相同。为了提高饵分的收集率，重新设计了收集方法和收集装置如图1。经调节阀1减压后的CO?和脂肪酸乙酯通过六通阀2进入收集管3(收集管中压力保持在45MPa)。每隔一定的时间切换六通阀2和4,对流出物进行分段收集。用石油差洗脱收集管3中的脂肪酸乙酯，在容量瓶中定容后取样分析EPA-EE和DHA-EE的浓度和组成，由此可得到各简分的重量和EPA-EE和DHA-EE的含量。色谱柱：Hyperprep8-C18.250mmxlOmm,购自Phenomenex<»收集管：自制，管内填有中性氧化铝0.5g,经检测，通过收集管的物料收集率大于98%。EPA-EE标样(99%)和DH

13、A-EE标样(99.8%),均购自Sigma。鱼油的乙酯化物(含EPA-EE50.98%,DHA-EE21.12%),山东禹王实业有限公司采用尿素包络法生产的产品。二氧化碳(99.9%),购自杭州民星工贸有限公司。石油敏bp.609(rC,色谱纯)，购自上海化学试剂厂。2.2分析采用TECHcompGC7890F型气相色谱仪分析。色谱柱:HP-FFAP毛细管tt(30m-0.25mmID-0.25pm),检测器：FID,色谱工作站：超越2000o分析条件是：载气N2：柱温20(TC,进样器温度240C,检测器温度270*C,简分中EPA-EE和DHA-EE的实际含量用外标法来测定，其它组分的含

14、量用面积归一法来测定。3结果与讨论3.1EPA-EE和DHA-EE色谱分离的动态特性所有的超临界色谱分离实验的工作压力都是12.1MPa,温度为55C。在3种超临界二氧化碳流速(0.982,1.964,3.928gminF和5种鱼油载量(20,40,80,140,200pL)下完成了15次实验，得到了色谱分离的动态曲线，图2为上载量为20、200gL,CO?流速为0.982、3.928gmin-'条件下的动态曲线。由于进料中EPA-EE和DHA-EE两者的总含量为71.1%,其他脂肪酸乙酯等杂质的含量为28.9%,其中的部分杂质与EPA-EE和DHA-EE不能分离，所以不能得到纯的EP

15、A-EE和DHAEE。这样就需要用两种曲线来描述分离的过程：一种是EPA-EE和DHA-EE在超临界二氧化碳中的浓度曲线，另一种则是馆分中的EPA-EE和DHA-EE纯度曲线。由图2可知：保持鱼油乙酯化物载量不变，改变超临界二氧化碳的流速，EPA-EE和DHA-EE的峰形和保留体积基本上保持不变。(2)保持超临界二氧化碳的流速不变，随着载量的增大，EPA-EE和Loading:20pL,Flowrate:0982gmin-110080604020Loading:20pL,Flowrate:0982gmin-110080604020由32106EPA-EEDHA-EELoading:20pL,F

16、lowrate:3.928g-min-12080100120140160180-上0邑8UVUA/coj/gMeoJgMgg图2色谱分离EPA-EE和DHA-EE的动态曲线Fig.2DynamiccurvesofchromatographicseparationofEPA-EEandDHA-EEunderdifferentloadingsandflowrateSolidlinesanddashdotlinesarcconcentrationcurvesandpuritycurves,respectively.DHA-EE的保留体积变大；峰的前沿变坦，后沿变陡；峰的起点基本上保持不变，终点向后移

17、。(3)从色谱曲线的动态特性可见，EPA-EE和DHA-EE两峰之间的分离效果相当好。在最大载量为200pL的条件下，如果在EPA-EE和DHA-EE两峰的交点处切割，EPA-EE中DHA-EE的含量不大于5%,DHA-EE中EPA-EE的含量不大于8%o如果适当调节切割点，还可以进一步提高二者的相对纯度。(4)当载量从20pL增加到200pL时，一个周期的CO?消耗鼠从60g左右增加到100g左右。换言之，载量增加10倍，CO?消耗只增加了约66%,相应的周期延长了66%»产品纯度随载量的变化不大。(5)由于EPA-EE和DHA-EE以外的杂质的影响，采用本固定相不能得到纯的EPA

18、-EE和DHA-EE。气相色谱分析结果表明，在EPA-EE峰前端的杂质主要是C18:0和C18:1,后端主要是C20:4；DHA-EE前端的杂质主要是C20:4,后端主要是C22.5,C22.4等。如果将所得的EPA-EE和DHAEE饲分用另一种固定相分离其他杂质，可望得到纯度更高的产品，同时收率也会提高。3.2技术经济指标与操作条件之间的关系色谱制备过程主要技术经济指标的计算方法评价色谱制备过程的主要技术经济指标是产品纯度、产品收率、生产能力和流动相消耗，由实验结果计算上述指标的方法如下：首先给定所需的EPA-EE产品的纯度。在动态曲线的横坐标上设定适当的保留体积步长，按流出体积分割为若干个

19、饲分，由浓度曲线可得到任一饲分，中的EPA-EE量0；由纯度曲线得到饲分i的EPA-EE纯度p“则该饰分的质量(包括杂质)为qp将若干相邻的N个饲分合并成产品，则该产品的总量为naM=£业(1)EPi其EPA-EE的纯度为x=£qM(2)用试差法确定N值，使x满足给定的纯度，同时得到产品的总量M以及相应的保留体积起点和终点。每一个周期内某给定纯度的EPA-EE的生产能力为P=M®)(3)式中，为操作周期，即进样开始至DHA-EE终点持续的时间，/为固定相体积。产品的收率R*qjL(4)式中L为进料中EPA-EE的量。流动相的消耗量F为每一周期的流动相消耗量除以给定

20、纯度的产品量。根据动态曲线用上述方法计算得到的结果见图3至图5。影响超临界色谱分离效果的操作条件有：压力、温度、流动相流速和上载量等。本文采用的压力和温度是根据王宪达的实验结果选定的适宜值，着重研究和讨论流动相流速和上载量的影响。(1) 流速和上载量对生产能力的影响Loading:mLL*3.0一一1.0190.51.01.52.0253.03.54.0UJ甲vdUQJ。&>pnpojdCO2flowrate/gmin-1图3CO,流速对EPA-EE生产能力的影响Fig.3EffectofCO：flowrateonproductivityofEPA-EEfordifferentp

21、urity富，Vd巴0归A-Snpoi:由图3可见，在实验流速范围内，在载量和产品纯度相同的条件下，生产能力随流动相流速的增大呈线性增大。Loading/mLL-1Loading/mLL*Loading/mLL-图4上载量对EPA-EE生产能力的影响Fig4EffectofcolumnloadingonproductivityofEPA-EE.FlowratesofCO；in1,11,IIIare58.92,117.84,235.68gh'*,respectivelyT-JL3、归>anpoi:由图4可以看出，对于特定纯度的EPA-EE而言，如果其纯度在80%以下，色谱柱的生产能

22、力随着载量的增大而增大；如果纯度要求在85%以上，则在载量超过某一值后，生产能力会随着载最的增大而减小。当产品纯度为90%时，适宜载量为7.13mLL-'o这时如图4IR那样，对应于流动相流流速为3.93gm"时，其色谱柱的生产能力为2.41ghUL。(2) 流速和上载量对CO?消耗及回收率的影响由图5可见，在其它条件相同的前提下，CO?消耗量随着EPA-EE产品纯度的提高而增大，产品纯度大于85%时增大的幅度更大。流速对CO?消耗量的影响不大(流速不同的三条曲线基本上重合)。比较图5的三张图中CO?消耗量一纯度曲线位置可见，当产品纯度小于85%时，CO?消耗量随着上载量的增

23、大而减少；当纯度要求为90%时，CO?消耗量随载量的变化有最低点，在载量为4.08mL-L-1时为最小。由图5可见，在其它条件相同的前提下，EPA-EE的回收率随着产品纯度的提高而减小，产品纯度大于85%时减小的幅度更大。流速对回收率的影响不大(流速不同的三条回收率一纯度曲线基本上重合)。由图5中三张图中的回收率一纯度曲线位置可见，当产品纯度小于85%时，回收率随着上载量的增大而略有减小；当纯度要求为90%时，回收率随上载量的增大明显减小。如图511中，当纯度为90%时，其第21卷第2期第21卷第2期韩一松等：SFC制备EPA和DHA乙酷过程中上栽*和流速.的影响收率约为40%,载量为7.13

24、mLLT时，对应纯度为90%的EPA.EE收率约为37.8%。以上有关EPA-EE的讨论基本上也适用于DHA-EE,不再赘述。Purity/%-18罗、uoaumsuo。O。Purity/%Purity/%上裁量和CO流速对CO2消耗量及EPA-EE回收率的影响Fig.5EffectsofloadingandflowrateonCO2consumptionandEPA-EErecoveryLoadingsinI,II.IIIarc1.019,4.076,10.191mL-L-1,respectively.Symbolsforflowrates:0.982g-min_,o1.964g-min-1

25、3.928gmi".CO：consumptioncurvesandrecoverycurves,respectively.4结论以尿素包络法得到的鱼油乙酯化物作为原料，用反相SFC可以制备纯度高于90%的EPA-EE,除DHA-EE之外，C18:0,C18:l,C20:4是影响EPA-EE纯度的主要杂质。在实验范围内，流速主要对生产能力有影响，而载量则对流出曲线的动态特性、色谱柱的生产能力、EPA-EE的回收率以及CO?的消耗量影响都很大。对于纯度为90%的EPA-EE而言，其适宜的操作条件是：载量7.13mLL-',流动相流速3.93gmin-1,此时色谱柱的生产能力为2.

26、41gh_,fEPA-EE回收率为37.8%。同时得到的DHA.EE纯度为75%,回收率为88.8%。符号说明:q,憎分，的EPA-EE纯度，R产品的收率，%t操作周期，hV固定相体积，LxN个馆分合并后产品中EPA-EE的纯度，%下标i-第，个懵分C组分在CO2中的浓度，mg.（gCO沪F单位质量给定纯度产品的流动相消IHtkgCCO。广（产品）L进料中EPA-EE的量gMN个慵分合并后得到的产品总量，gAfcojCO：的消耗量，gP每个周期内纶定纯度的EPA-EE的生产能力，ghL-*p,憎分/中EPA-EE的量,g参考文献：1 AlkioM,GonzalezC,JanttiMetal.Purificationo