模拟移动床研究进展_万红贵

1282012Vol.38No.1（T ota l 289）模拟移动床研究进展万红贵，张波，汪文进，王文娟，缪玲玲（南京工业大学生物与制药工程学院，江苏南京，210009）摘要详细介绍了模拟移动床（simulated moving bed ，SMB ）的分离原理，就模拟移动床在石油化工、生物分离、手性药物方面的实际应用，模型的设计与优化方法，新式模拟移动床及新型操作方式的出现予以综述，并对模拟移动床以后的发展趋势和研究重点予以展望。

关键词模拟移动床，分离，应用，设计，操作方式第一作者：学士，研究员（通讯作者）。

收稿日期：2011－09－21模拟移动床（simulated moving bed ，SMB ）的设计脱胎于真实移动床（true moving bed ，TMB ），最早由美国环球油品公司（UOP ）于20世纪60年代开发并应用于石油化工领域，工艺被称为Sorbex ；后来又开发了不少新的SMB 系统，并逐渐应用到精细化工、药物分离和生物技术等领域，目前研发的重点集中到了高纯度的产品，但产量较小。

为了对相应的模拟移动床系统进行最佳的设计与优化，达到高纯度、高生产率、低溶剂量的要求，研究人员又提出了各种不同的理论设计方法，如Marco mazzotti 等人的三角理论法，Wang 等人的驻波设计法等。

近些年来随着人们对于产品的精度、生产率、产量及生产的经济性有了更高的要求，针对传统的模拟移动床工艺操作过程提出了一些新的概念，如powerfeed ，varicol ，modicon 等，并设计出了诸如三区开环SMB ，五区SMB ，单柱四区SMB 等新式SMB 系统，并取得了较好的效果。

1模拟移动床（SMB ）原理在真实移动床（TMB ）中，液相与固相会做相对移动，如图1b 所示，但是由于固相移动困难，固体颗粒磨损，液化，低效等一系列的问题而阻碍了它的发展与大范围应用，并在一定程度上催发了模拟移动床（SMB ）的出现。

模拟移动床通过周期性（切换时间ts ）改变进出口的位置而模拟出与真实移动床同样效果的液固相连续逆流，如图1a 所示。

由图1可以看出，SMB 和TMB 都可以分成4个区，I 区，II 区，III 区，IV 区，不同之处在于SMB 系统这四个区的固相并不发生实际的移动而TMB 系统中固相与液相会发生实际的相对运动，但是在SMB图1模拟移动床与真实移动床的原理示意图系统中每隔ts 时间段2个进口和2个出口都会发生一次位置变动，推进方向一致，每次变动都是跨越一个区，从而模拟出固相与液相的相对运动。

以两组份混合物A （强吸附组份），B （弱吸附组份）为例，Q1，Q2，Q3，Q4分别为4个区的流量。

模拟移动床Ⅰ区位于洗脱液入口处与萃取液出口处之间，在此区内，实现组分A 的解吸。

在Ⅰ区应将固定相清洗干净，使其不能将组分A 带入Ⅳ区，因此要使Q1大于组分A 随固定相向下移动的速度。

模拟移动床色谱Ⅱ区位于萃取液出口处与进料口之间，其作用相当于精馏塔，使被吸附的组分A 反复吸附、解吸而浓缩。

要使Q2介于组分B 、组份A 移动速度之间，使组分B 往上移动，而组分A 往下移动，从而在提取液出口得到纯的组分A 。

模拟移动床色谱Ⅲ区位于进料口与萃余液出口之间，其作用是尽可能地将组分A 吸附在固定相上。

在Ⅲ区要控制Q3，使组分A 往上移动，而组分B 向下移动，这样就可以在提余液出口得到纯的DOI:10.13995/ki.11-1802/ts.2012.01.0122012年第38卷第1期（总第289期）129组分A 。

模拟移动床Ⅳ区位于洗脱液入口与提余液出口之间。

一方面，液相中的组分B 被固定相吸附，其洗脱液与新鲜的洗脱液一起进入Ⅰ区，从而达到循环利用的目的；另一方面将Ⅲ区与Ⅰ区隔开，以免萃余液中的组分B 进入Ⅰ区而污染提取液，起到一定的缓冲作用。

因此在Ⅳ区使Q4小于组分B 向下移动的速度，使其循环液中不含组分B ，这样就不会污染Ⅰ区。

当模拟移动床色谱4个区的液体流量分别满足以上的这些条件后，将可同时在2个出口得到纯的分离产物。

这4个区的功能可以用图2更为直观的表示。

图2模拟移动床分区及各自功能分离机理的解释：以2组分混合物A （强吸附组份），B （弱吸附组份）为例，由于二者吸附能力的不同导致它们在随液相流过固相时移动速度的差异，A 慢，B 快，这时只要控制液相的主体速度u flu 符合u A ＜u flu ＜u B 这一关系，就会使A ，B 两组分逐渐分离。

2模拟移动床的应用发展2.1石油化工领域的应用模拟移动床在石油化工领域的应用可以追溯到20世纪60年代。

1961年UOP 公司在Broughton 和Gerhold 2人提出的SMB 概念的基础上开发了世界上第一个被成功应用的传统SMB 工艺———Sorbex ［1］，并获得专利，目前获得官方认证的Sorbex 操作单元已有100多种；1969年美国UOP 公司将模拟移动床色谱技术用于分离对二甲苯和间二甲苯，该分离过程被称为Parex ［2］过程，后来又开发了用于分离石蜡的molex 和olex 系统；UOP 公司还将该技术应用于其他工业级的石油产品的分离过程中，如：对甲苯酚和间甲苯酚的分离，从C 8芳香族化合物中分离乙苯，从煤油C 4烯烃混合物中分离1-丁烯，从蒎烯混合物中分离β-蒎烯等。

20世纪70年代初引进的对二甲苯吸附分离技术，是我国模拟移动床分离技术的开端。

到目前，我国石化系统已陆续引进了近10套生产装置，吸附剂总装填量约4000t ，吸附剂也全部由国外进口。

国内引进的模拟移动床分离装置大部分采用美国UOP 公司的工艺技术及吸附剂，包括上海金山石化总厂、扬子石化公司、齐鲁石化公司、天津石化公司、燕山石化公司、独山子炼油厂、辽阳化纤公司等。

近期中国石化镇海炼油化工公司采用法国IFP开发的Eluxyl 对二甲苯分离工艺，建设4500t /年对二甲苯吸附分离装置，此技术与美国UOP 公司的Parex 工艺相似。

总体来讲，在20世纪90年代之前，SMB 技术还主要用于石油化工领域，其本身就是在研究分离石油产品的过程中发展起来的。

2.2生化分离领域的应用SMB 在生物分离领域应用最早并成功工业化的是对于糖的分离，在20世纪90年代以前研究者们就开发了用于在玉米糖浆中分离果糖和葡萄糖的Sarex ［3］工艺过程，该工艺选择一种Ca 2+型的阳离子交换树脂作为固定相，用热水作为洗脱剂。

原料糖浆中含有42%的果糖，利用模拟移动床分离时，果糖和Ca 2+形成的复合体被阻流在柱中，葡萄糖和其他寡糖被洗脱剂带走。

分离后，提取液中果糖浓度为90% 94%，收率在90%以上，提余液中葡萄糖的浓度大于80%。

利用模拟移动床技术进行糖类的分离，树脂用量、再生液用量大幅度减少，生产自动化程度提高，而且排污很少，这使得整个过程的费用降低。

Sarex 工艺已成功应用到内径达数米的柱子上，当前国外已有年产万吨果糖的成套商品化设备，而我国在这方面还处在初级研究阶段。

脱盐是SMB 技术在生物分离领域的一个简单而有趣的应用［4］，其中涉及到许多不同的机理，如离子排斥，疏水作用，离子交换，大小排斥等。

将（NH 4）2SO 4从蛋白质中分离涉及到大小排斥机理，对NaCl 和丙三醇的分离涉及到离子交换机理，对苯1302012Vol.38No.1（T ota l 289）基丙氨酸和氯化钠的分离涉及到疏水排斥作用机理。

在氨基酸分离方面，SMB 色谱技术广泛应用于苯丙氨酸、赖氨酸、缬氨酸、色氨酸和苏氨酸等产品的分离和精制。

Van Walsem 等［5］等报道了使用模拟移动床技术生产赖氨酸的工艺过程，最终生产出的赖氨酸纯度可达98.5%。

我国不少赖氨酸生产厂家采用ISEP 系统生产赖氨酸，Wu ［6］等人用10根柱组成的四带SMB 系统进行了模拟移动床分离色氨酸和苯丙氨酸的研究。

万红贵、方煜宇［7］等人对模拟移动床分离撷氨酸和丙氨酸进行研究，最终得到的缬氨酸产品浓度为98.6%，丙氨酸副产品的纯度为82.9%。

除此之外，Gottschlich 等［8］研究了单克隆抗体的模拟移动床色谱分离，Houwing 等［9］采用梯度模拟移动床离子交换色谱分离了蛋白质，Andreev 等［10］研究了模拟移动床色谱对于同位素的分离，如H 和D ，D 和T ，16O 和17O 等。

2.3手性药物分离领域的应用当前国内外对于SMB 应用研究最为热门的应该是针对手性药物的分离。

临床应用的化学药物很大一部分是手性的，在化学合成药物中有1/3甚至更多是手性或者是由手性对应异构体构成的外消旋体，而不同的手性对应体在人体内的药理作用、毒性或毒副作用往往存在显著差异。

如20世纪60年代在欧洲市场上销售的反应停导致的胎儿畸形，后经研究发现该药的疗效来自R-异构体，而其中的S-异构体可导致胎儿畸形，该事件直接推动了人们对于手性药物中对应体的分离研究，并最终使SMB 技术进入手性药物分离领域并逐渐占据统治地位。

1992年，Negawa 和Shoji ［11］对于1-苯基乙醇的分离成为世界上第一个应用SMB 技术分离对映异构体的成功案例，之后被一些药企应用到实际生产中。

到了1997年，比利时的UCB 制药公司和日本的Dai-cel 化工公司应用SMB 技术已经可以年产数吨的对应异构体；2002年，使用SMB 工艺生产的单一对应异构体药物Lexapro （抗抑郁药）通过了美国食品及药物管理局（FDA ）的认证。

同时有记录指出，在2000年之后，主要的大型药企都已经开始使用SMB 技术。

浙江大学采用德国Knauer 公司的pilot system CSEPC916模拟移动床装置对奥美拉唑对应异构体进行了分离［12］。

除了上述领域外，SMB 技术还在中药和天然药物中有效成分的分离提纯中起到了积极的推动作用。

辽宁科技大学分离技术中心用自行设计研制的中小型模拟移动床装置分离出了紫杉醇、银杏总内酯B 、银杏黄酮、甘草苷、EGCG 和人参中的Rb1等有效成分［13］。

3模拟移动床的设计与优化方法要弄明白模拟移动床的设计与优化首先要提到以下几种色谱理论模型：平衡理论模型，该模型不考虑传质阻力和轴向扩散的影响，假设传质能在瞬间达到平衡；塔板理论模型，它将色谱分离过程与精馏塔过程类比，把色谱柱看成是由一系列小的理论板构成，该理论也没有考虑轴向扩散和传质速率有限性的影响；速率模型，它是一种属于动力学理论的模型，它既考虑了轴向扩散和传质阻力，又考虑了非线性吸附的影响，是一种极为严格的，与SMB 实际过程最为符合的模型，但是包含过多的偏微分方程，难以计算。

平衡理论的应用直接导致了Marco Mazzotti 三角理论［14］的出现，该理论在SMB 领域具有非常重要的作用，在线性与非线性系统中实验者可以用该方法在吸附等温线基础上计算出一个完全分离区域，进一步确定最佳操作参数，该理论在SMB 领域应用最为广泛；另外一个著名的设计方法是由Wang ，Ma 等人在1997年提出的驻波设计法［15］，此方法将过程看作真实移动床，列出偏微分方程，其中考虑了轴向扩散和传质阻力，认为在稳态下系统中各组分浓度分布为驻波，即不随时间变化也不改变位置即传播速度为零，在此条件下对偏微分方程进行化简求解，获得一系列的关系式将产品的纯度和收率与每个塔段的长度、床层移动速度、流率、床层容量因子以及传质系数联系在一起；第三种方法被称作“体积分离法”（separation volume ），该方法所对应的模型包含了传质阻力以及再生区操作参数对于分离效能的影响，应用较少。