模擬移動床分離技術及食品行業應用

高 尚，林海龍，許克家，車夏寧，王滿意*

（中糧營養健康研究院，北京 102209）

模擬移動床（simulated moving bed，SMB）是一種基于色譜分離原理可連續操作的現代化色譜分離技術。此技術最先由美國環球油品（Universal Oil Products，UOP）公司在20世紀60年代商業應用于石油化工領域，并逐漸發展起來。由于其相對于傳統制備色譜分離技術具有能連續化操作，易實現自動化，分離能力強，分離效率高等特點，因而在生物技術、石油、食品科學、制藥工業等領域得到了越來越廣泛的應用。近些年，隨著生物、制藥、食品等領域的快速發展，SMB技術具有更加開闊的發展空間和良好的發展前景。

1 模擬移動床色譜發展歷程

模擬移動床（SMB）的出現最早是基于美國環球油品公司在1946年開發的逆流連續循環移動床裝置，該裝置也被稱為真實移動床（true moving bed，TMB）[1-2]。它是依靠重力作用使固體相由上向下移動，流動相自下而上移動，兩者形成逆流使得材料發生分離。TMB技術能夠實現連續進出料，減少分離時間，提高分離效率，但仍存在固定材料易磨損等缺點，因而沒得到廣泛應用。

到20世紀60年代初，BROUGHTON D B[2]在專利中闡述了一種利用閥門切換來不斷改變原料及流動相入口和分離物收集點的位置，從而實現逆流操作的工藝，并通過此工藝實現了二甲苯從C8化合物中的分離。這是關于模擬移動床技術（SMB）最早的論述。

20世紀70年代初，美國環球油品公司將模擬移動床技術商業化，建造了一套被用來分離各種石油餾出物的裝置，命名為Sorbex[3]。圖1表示了Sorbex 裝置的分離過程示意圖[2]。此裝置分為4個區域，每個區域由若干根色譜柱組成。系統通過旋轉閥（rotary value，RV）的調整，使得物料進出口在1～12位置之間轉換。裝置通過旋轉閥的旋轉使得物料進、出口發生變動，分離材料相對于進出口發生相對移動，實現模擬移動床色譜分離。

圖1 UOP Sorbex 分離過程Fig.1 UOP Sorbex separation process

在同一時期，美國還應用模擬移動床技術分離了苯基乙胺對映體。同樣在20世紀70年代，我國開始接觸模擬移動床技術，引進了二甲苯吸附分離技術[4]。到20世紀90年代之前，模擬移動床主要應用于石油化工領域的一些分離。20世紀90年代后，SMB逐漸發展并成功應用于生物化工領域。最早應用此技術的是玉米糖漿中分離果糖和葡萄糖的Sarex[5]工藝。目前，美國F55高果糖漿年產量超過600萬t，其中使用模擬移動床分離技術的果葡糖漿超過160萬t，此技術還應用于進一步生產F90高果糖漿與結晶果糖。同時，日本成功研發了多閥順控分離糖類技術。至此，SMB技術在石化和糖醇分離行業已開始大規模應用。

2 模擬移動床色譜工作原理

2.1 真實移動床分離原理

模擬移動床技術分離原理是基于真實移動床分離原理發展而來的。傳統分離色譜分離兩相體系時，首先采用脈沖進樣，然后通過洗脫液進行洗脫，假設移動速度快的組分為A，移動速度為V1；移動慢的組分為B，移動速度為V2。如圖2所示，當色譜柱足夠長時，由于V1＞V2，A和B組分將能夠被分開。

圖2 傳統色譜分離原理Fig.2 Conventional chromatographic separation principle

在真實移動床色譜中，固體相整體與流動相發生逆向流動，如圖3所示。假設固體相的流動速度為V0且V1＞V0＞V2，當流動相和固體相發生逆向流動時，A組分相對移動速度V1和B組分相對移動速度V2分別為：V1=V1-V0＞0；V2=V2-V0＜0。通過圖3及上述公式可以看出，A和B組分由于固體相的移動產生一正一負的相對速度，從而分別向色譜柱的兩端移動，實現A、B組分的完全分離。

圖3 真實移動床色譜分離原理Fig.3 Chromatographic separation principle of true moving bed

在TMB色譜柱中，如圖4所示，固體相自上而下運動，液體相從下向上移動，兩者逆向并各自循環。色譜柱可分為1、2、3、4四個區域。樣品A和B的混合液由2、3區之間進入色譜柱；提取液（A組分）由1、2區之間流出；提余液（B組分）由3、4區之間流出。色譜柱每一個區域都起到不同作用：在區域4中，流動相得到再生；區域2和區域3作用為分離A、B相；在區域1中固體相得到再生。

圖4 TMB色譜分離過程Fig.4 Chromatographic separation process of true moving bed

在此過程中，進樣和出樣連續進行，從而改變了傳統色譜法間歇進樣的方式，增加了分離時間占整個操作時間的比例，提高生產效率，更加有利于工業化大規模生產。然而真實移動床仍然存在一些嚴重缺陷，如固體相分離材料容易磨損，造成固體相的消耗，增加生產成本，同時磨損產生的殘渣會堵塞閥門或管道。此外，固體分離材料的移動造成填料層狀態不斷改變，干擾了液相流動分布。而之后模擬移動床的出現既保留移動床色譜的優點，同時克服其所具有的缺點。

2.2 模擬移動床色譜原理

模擬移動床色譜根據特點不同可以分為3區或4區，每個區域包含一根或多根色譜柱。整個SMB裝置由若干根色譜柱及泵組成。按規模和分離特點，色譜柱的數量通常為6～12根，最多可達24根。泵的數量通常為4個或者5個，4臺泵時2臺分別用于進料液和洗脫液，2臺泵用于系統內部液體循環；5臺泵時其中4個進出口輸液泵，1臺泵用于液體內部循環[8]。

模擬移動床能夠克服TMB分離的缺點，在分離過程中固體相不再移動，而是采用一個旋轉閥，通過定期轉動旋轉閥，使得色譜分離系統中的兩個進口和出口不斷以一定時間周期向下移動。由于旋轉閥造成的物料進出口不斷向下移動，使得色譜中的固體分離材料與流動相發生相對移動，進而使分離材料與流動相產生相對移動，因此稱之為模擬移動床。

圖5為模擬移動床工作原理的示意圖，其中A組分為弱吸附組分，B組分為強吸附組分。與TMB相似，SMB也可劃分為四個區域：

圖5 模擬移動床工作原理[7]Fig.5 Simulated moving bed working principle[7]

區域Ⅰ：位于洗脫液入口和提取液出口之間。在這個區域內，洗脫液對吸附劑進行脫吸附，將B組分從吸附劑中洗脫出來，實現B組分的解吸附和吸附劑的再生。

區域Ⅱ和Ⅲ：位于提取液及提余液和A、B進料口之間。這個區域的主要作用是對A、B混合物的分離濃縮。在這兩個區域中，由于A組分移動速度較快，B組分移動速度較慢，A組分逐漸在區域Ⅲ中富集，B組分逐漸在區域Ⅱ中富集。

區域Ⅳ：位于提余液和洗脫液入口之間。在這個區域中組分A從吸附劑中洗脫下來，此外，區域Ⅳ還可將區域Ⅰ和區域Ⅲ隔開，以免雜質A進入區域Ⅰ中。

通過旋轉閥以恰當的時間不停切換，裝置的兩個進液口和出液口不斷順時針變換，如圖5所示，因此吸附劑相對流動相發生逆向移動。每次切換后A、B的進料口都位于模擬移動床體系中在當時狀態的區域Ⅱ和區域Ⅲ之間。經過若干次切換之后，體系中A、B組分分布趨于穩定，從而實現連續進樣、提取產品。

3 模擬移動床色譜單柱模型

模擬移動床由若干個單柱色譜組成，因此單柱色譜是模擬移動床模擬計算的基礎。幾種模擬移動床中常用的單柱模型包括：理想模型、平衡擴散模型、綜合速率模型。理想模型是最簡單的單柱模型，模型中只考慮熱力學和對流傳質，假設不存在軸向擴散和傳質阻力的影響，固液相能夠瞬間達到平衡狀態；平衡擴散模型在SMB計算中廣泛被采用，同理想模型相比，平衡擴散模型考慮軸向擴散和傳質阻力，而其數值解也相對簡單；綜合速率模型是考慮因素最為詳細的單柱模型，其中包括固定相內的擴散效應，固定相的表面擴散和吸附平衡，流動相的對流傳質和軸向擴散，通過液膜的傳質效應等因素。

4 模擬移動床在食品行業應用

模擬移動床具有操作連續、高效、低成本等先進特點，最早此項技術大量應用與石油化工行業。UOP公司開發的Sorbex工藝在20世紀70年代商業應用于石油餾出物的分離并逐漸發展到其他不同領域的應用，現已有80多臺建成裝置應用UOP開發的Sorbex工藝；法國石油研究院（Institute Francais Du Petrole，IFP）在1986～1996年開發的Eluxy l工藝，能夠生產高純度對二甲苯，這套工藝的工業示范裝置已于1995年正式投入運轉[6]。隨著SMB技術的逐漸成熟和發展，此相分離工藝現已大量被應用于食品領域。

4.1 糖的分離

4.1.1 果糖的分離

在糖醇行業中，SMB技術最早用于分離玉米糖漿中的果糖和葡萄糖。UOP 公司開發的Sarex工藝[9]使用一種Ca2+型的陽離子交換樹脂作為固定相，熱水作為洗脫劑。果糖與Ca2+生成一種復合體，吸附在色譜柱中，而葡萄糖和其他雜糖被洗脫沖出。經過SMB分離后，果糖質量分數能達到90%～94%，回收率高達90%，提余液中葡萄糖質量分數也達到80%以上。廣東湛江在1993年建成一套SMB分離高級純果糖裝置[12]，現在這套技術已大量成套化應用。

4.1.2 木糖與木糖醇的分離

目前我國生產木糖醇工藝中的結晶母液主要含木糖醇、木糖以及少量阿拉伯糖、甘露醇等，其中的木糖和木糖醇濃度較低，用結晶方法很難進一步分離。而木糖及木糖醇能夠和金屬離子形成絡合物，根據它們絡合的穩定性不同，能夠使用SMB技術進行分離。孫培冬等[10]應用鈣型樹脂作為固定相，成功將木糖酵母液中的木糖和木糖醇分離，最終產品中木糖及木糖醇的濃度分別能夠達到99.3%和99.8%。

4.1.3 甘露糖的分離

果葡糖漿生產過程中，由于葡萄糖異構酶和堿性條件的作用，會產生0.2%～1.5%甘露糖[13]。章朝暉等[11]采用鈣型陽離子樹脂，在40～85 ℃條件下，甘露糖、葡萄糖的混合物通過模擬移動床進行連續分離，從而得到富含甘露糖的提取液。甘露糖之后可通過加氫反應用來生產甘露醇。

4.1.4 低聚半乳糖的分離

低聚半乳糖是一種功能性低聚糖，有提高免疫力，抗腫瘤、抗衰老，改善脂質代謝，預防便秘等功能[14]。低聚半乳糖的工業化生產通常以高濃度乳糖為原料，在β-半乳糖苷酶水解作用下產生，產品中含有大量葡萄糖和乳糖[15]。保齡寶生物股份有限公司通過順序式模擬移動床將低聚半乳糖濃度從50%～65%純化至95%以上，分離采用鈉型改進樹脂，柱溫55～75 ℃，pH值控制在5.0～6.5[16]。

4.1.5 低聚異麥芽糖分離

低聚異麥芽糖能促進腸道內雙歧桿菌增殖，提高機體免疫力，甜度低、熱量低，不增加血糖血脂等功能[17]。目前工業化常用的生產工藝是以高濃度葡萄糖漿為底物，在α-D-葡萄糖苷酶催化作用下發生葡萄糖基轉移而制得[18]。由于反應轉化效率低，產品中含有大量葡萄糖、麥芽糖等非功能糖。劉宗利等[16]應用順序式模擬移動床技術，采用鈉離子改性的強酸性聚苯乙烯大孔樹脂，在進料濃度60%，柱溫70 ℃，pH 5.8的條件下進行吸附，得到產品中低聚異麥芽糖占總質量達到80%以上。

4.1.6D-核糖的分離

D-核糖是細胞中遺傳信息載體DNA和RNA以及多種維生素和輔酶的組成成分，并且能夠用于合成多種藥物。D-核糖的生產工藝主要有三種，即微生物發酵法、水解法和化學合成法，工業上較多采用的是微生物發酵法生產D-核糖[19]。高潤香[20]對SMB技術分離D-核糖發酵液進行了研究，并同傳統的固定床離交脫鹽工藝進行對比，發現應用SMB技術能夠使產品收率提高11.1%，產品濃度提高34.8%，單位產品酸堿消耗減少60.9%，水耗減少68.4%，廢水排放減少89.5%。

4.2 有機酸的分離

SMB技術已大量應用于有機酸分離，包括多種氨基酸、檸檬酸和乳酸等。

目前工業生產L-纈氨酸大多采用微生物發酵法，產品纈氨酸中含有丙氨酸雜質，由于兩種氨基酸同為中性氨基酸，等電點相近，難于分離。萬紅貴等[21]對SMB技術分離纈氨酸進行了試驗研究，試驗采用強酸性苯乙烯樹脂，得到產品含98.6%的纈氨酸，產品質量濃度達19.6 g/L。此外，金大勇等[22]采用江蘇漢邦科技有限公司設計的小型模擬移動床設備將纈氨酸純度提高至98.79%，丙氨酸純度達96.15%。

L-苯丙氨酸是合成甜味劑阿斯巴甜的主要原料，吳昊等[23]試驗研究了SMB技術在酶轉化液中分離提純L-苯丙氨酸的工藝。實驗采用WH-6苯乙烯系強酸性陽離子交換樹脂，進料質量濃度為12.264 g/L。經過SMB分離后L-苯丙氨酸能夠達到35 g/L，回收率為97.6%。

L-賴氨酸是通過谷氨酸棒桿菌發酵生產。WALSEM H J等[24]應用SMB技術將L-賴氨酸從發酵液中分離濃縮至97.5%。ROBATJAZI S M等[25]將SMB分離L-賴氨酸發酵液同固定床色譜進行比較，L-賴氨酸的分離速度能夠提高167%，溶劑的消耗量能夠減少47%。

檸檬酸已成為當前世界上產量和消費量最大的食用有機酸，工業上采用細菌發酵法進行生產。檸檬酸發酵液中含有多種雜質，包括殘留菌體、葡萄糖、蛋白、色素、膠體、有機雜酸等，因此提純工藝至關重要。除了傳統的氫鈣法提取，SMB技術也逐漸開始工業化應用。宜興協聯生化有限公司采用模擬移動床工藝進行檸檬酸分離[26]，相比傳統鈣鹽法分離，SMB分離使檸檬酸收率提高了3.6%；工藝水消耗下降了5/6，總生產成本降低了10%～15%，同時避免了CO2、CaSO4等廢棄物的排放。

乳酸按旋光性可分為L-乳酸、D-乳酸、DL-乳酸，而人體只能代謝L-乳酸。安徽中糧生化格拉特乳酸有限公司采用順序式模擬移動床技術，將乳酸從發酵酸解液中提純[27]。乳酸富集液的濃度能夠達到20%以上，乳酸的收率約95%～98%，L-乳酸的純度＞99%。

抗壞血酸又稱維生素C，我國工業通常采用二步發酵法進行生產，在結晶過程中會產生大量結晶母液，其中含有維生素C、古龍酸、色素、有機雜酸等[28]。彭奇均[29]的專利中使用螯合樹脂，以水為洗脫劑，在20～75 ℃的操作溫度下使用模擬移動床技術分離維生素C和古龍酸，維生素C晶體收率能夠達到約85%。

4.3 其他產品分離

除了糖醇行業和有機酸行業，SMB技術也已在其他食品生產中大量應用。張麗華等[30]以銀杏葉提取物為原料，采用SMB技術濃縮槲皮素達到90%以上；王建建等[31]應用4柱模擬移動床系統對玉米須黃酮分離進行了研究，純度能達到92%；劉麗江等[32]研究通過SMB將乳鐵蛋白從牛初乳中分離，試驗得到乳鐵蛋白純度達到95.8%，回收率達到93.5%。此外，模擬移動床技術在茶多酚提取，紫杉醇提取，維生素E濃縮等產品分離上也得到應用。

5 SMB未來展望及發展方向

模擬移動床技術已經發展到一個相對成熟的階段，在石油化工、食品工業、手性藥物分離和一些有機物分離方面都進行了工業化應用。未來模擬移動床的發展可能在以下幾個方向：第一是模擬移動床反應器的發展。對于可逆反應，可通過將生成物分離而使平衡向著有利于反應的方向移動，因此將反應器與模擬移動床分離設備結合，酯化、酯交換等很多生化反應便能通過SMB反應器進行。第二是簡化模擬移動床優化及計算方法。現在的模擬移動床建模及計算都需要大量復雜的數學計算，而且需要借助一些特定軟件，多以設計研究一種簡便的模型和計算方法十分必要。

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