基于模擬移動床科研成果開發創新實驗項目

呂海霞， 陳明杰， 危 鳳， 張華星， 錢桂敏

(1.浙江大學寧波理工學院 生物與化學工程學院，浙江 寧波 315100;2.浙江醫藥高等?？茖W校 中藥學院，浙江 寧波 315000)

0 引 言

模擬移動床(simulated moving bed,簡稱SMB)是美國環球油品公司在1961年提出的一種分離技術，用于C8芳烴分離。該技術實現了色譜分離的連續操作，與常規的制備色譜和工業色譜相比，分離能力強，分離效率高，溶劑消耗低，且易實現自動化，逐漸在制藥工業、精細化工以及生物制品等領域有廣泛應用，尤其在手性藥物和天然產物分離純化方面有大量應用。色譜這種高效的分離手段，不再局限于分析，而是逐步在新的分離領域得到制備和生產規模應用，大型模擬移動床設備每年制備量達100萬t。隨著這些領域對分離技術的要求越來越高，SMB技術的發展空間和工業化應用前景更加廣闊。

SMB分離制備是我院的重要科研方向，研究這項技術已10多年，先后對生育酚、輔酶Q10、紫杉醇、辣椒堿、芍藥苷、深海魚油、柔紅霉素、子囊霉素、奧利司他、奧美拉唑等體系的分離純化做過深入研究，取得豐碩的科研成果，承擔了10余項科研項目，發表科研論文30多篇，申報發明專利11項，并成功開發兩套各項技術指標達到國內外同類產品水平的SMB裝置和SMB模擬軟件[1-4]。其科研成果已與相關企業合作，成功實現了產業化應用。

將SMB這項優質科研成果轉化成切實可行的專業實驗教學項目，既能積極推動實驗教學改革和創新，又能有效提升學生綜合實踐能力和科研創新能力，契合我校高素質應用型人才的培養目標。

1 已有的SMB實驗教學基礎

我院在模擬移動床分離技術的研究中始終貫穿著學生的培養，該領域先后指導了6名研究生和39名本科生的畢業設計課題，積累了豐富的教學經驗[5-6]。該技術與制藥工程專業知識緊密相關，涉及多項專業實驗技能，在專業實驗中已開設許多相關的實驗項目，比如：離子交換法提純混合生育酚實驗，用離子交換樹脂對混合生育酚進行提純，并用薄層色譜分析產品，讓學生掌握離子交換分離技術和薄層色譜的基本原理及操作方法。還有制備液相色譜分離生育酚各組分和高效液相色譜分析生育酚各組分純度和含量兩個實驗，讓學生熟悉制備液相色譜基本結構和操作步驟的基礎上，掌握制備色譜流分切割和循環進樣技術，將切割得到的各個流分再用高效液相色譜進行定量分析，使學生掌握高效液相色譜的基本原理和操作[7]。以上教學實踐，可以保證循序漸進地開發模擬移動床分離提純生育酚實驗項目[8]。

2 開發創新型SMB實驗

生育酚又稱維生素E，是人體必需維生素之一。天然生育酚是一種具有右旋光學活性的混合物，有α-,β-,γ-,δ-四種同系物，α-生育酚是其中生理活性最高的組分。天然生育酚的活性遠遠高于合成生育酚，所以市場需求量連創新高，時常供不應求，我國生育酚市場發展空間巨大。

高純度的天然生育酚是很好的醫藥品和保健品。天然生育酚的提純和分離方法主要有超臨界CO2萃取法、溶劑萃取法、皂化法、蒸餾法、尿素絡合法、氫化法和色譜法。其中色譜法能得到含量很高的生育酚，甚至得到各生育酚純組分，主要用在生育酚同系物中各單體的分離中，這些方法有薄層色譜、柱色譜(常見的有離子交換法和吸附法)和液相色譜[9]。高純度生育酚的提純工藝研究，不僅具有學術價值，而且具有工業應用價值。模擬移動床色譜技術可以連續生產，比較適合于生產高純度單體。我院老師用模擬移動床色譜分離天然生育酚，目標產物ɑ-生育酚的純度和回收率都達到97%以上。

2.1 實驗原理

圖1所示的類比有助于理解模擬移動床分離原理。普通色譜分離是由于強、弱吸附組分在液固兩相中的吸附平衡關系不同，使得強弱組分能夠先后流出色譜柱。各組分遷移速率存在差異，這點像龜兔在跑帶上賽跑，一定時間后龜兔會得到分離。如果連續不斷地在起點(色譜柱入口)放入龜兔(強、弱吸附組分)，在跑帶終點(柱子出口)只能得到龜兔的混合物。然而，如果將跑帶往后移動，且移動速率介于龜兔運動速率之間，則烏龜會隨跑帶往后移動，而兔子仍往前移動。故此時若在跑帶中央連續不斷地放入龜兔，在跑帶兩端就分別得到烏龜和兔子。將這一原理運用到吸附和色譜分離中，需要固、液兩相逆向移動，模擬移動床概念應運而生。

圖1 模擬移動床分離原理

將多根色譜柱首尾相接成一閉環系統，進料液和洗脫液入口與萃取液和萃余液出口將之分為四個不同的功能區，如圖2所示。每隔一定時間Δt，所有柱子往后移動1根柱長，或者4股物料進出口位置分別沿流動相方向切換至下一根柱子出口，則可實現固定相與流動相之間的逆流效果。如果柱子無限短，且柱子移動速率無限快(或物料進出口位置切換無限快)，就能實現液固兩相的連續逆流效果。實際操作中，各區流速與切換時間等操作條件選擇恰當，可從萃取液和萃余液出口分別連續獲得強吸附和弱吸附兩個產品。

1～8：色譜柱編號 A：強吸附組分 B：弱吸附組分

2.2 實驗內容

模擬移動床原理較難懂，分離條件設計復雜，一般需要經過較長時間學習和琢磨。為了充分兼顧學生的理論知識基礎和接受能力[10]，安排以下4個實驗環節，①觀察實物，理解模擬移動床液固逆流的兩種不同實現方式；②通過模擬軟件考察濃度譜帶在床層內的運行特征，理解模擬移動床的分離原理；③結合用傳統4區模擬移動床色譜分離混合生育酚的任務，師生一同現場討論分離工藝，布置學生設計分離條件，并做實驗準備；④操作并完整運行實驗，討論分離結果，撰寫實驗報告。

2.3 實驗儀器

本實驗模擬移動床系統采用德國KNAUER公司產的CSEP?9116，色譜柱是大連依利特公司產的ODS硅膠柱，硅膠粒徑10 μm，柱子尺寸φ10 mm×100 mm，8根。分析用Knauer高效液相色譜儀(K-501泵，K-2501紫外-可見波長檢測器，色譜柱C18柱)和Eurochrom2000色譜數據工作站。

試驗器材還有電熱恒溫鼓風干燥箱、雙頻超聲波清洗機、旋轉蒸發儀、電子天平、真空過濾器、減壓泵等。

2.4 實驗步驟

原料是35%的混合生育酚，主要含有4種生育酚同系物和前雜、后雜。先進行原料預處理，通過柱層析的方法，去除后雜，之后運用模擬移動床分離技術分離掉前雜組分，從而獲得高純度的生育酚。

2.4.1原料預處理

這一步在離子交換法提純混合生育酚的實驗中已經完成，將收集到的流出液與甲醇配制成生育酚料液備用。

2.4.2生育酚在ODS上平衡常數的測定

取配好的生育酚料液進液相色譜分析，見圖3(組分f為α-生育酚)，記錄各組分的出峰時間，計算ODS柱孔隙率和生育酚在ODS上的平衡常數，得出平衡常數K與流動相組成的關系。

2.4.3模擬移動床分離生育酚

(1) 將預處理后的生育酚原料液用偏氯膜真空過濾，超聲脫氣后備用。

(2) 采用一級色譜純甲醇配制流動相。

(3) 通過測量得到的數據，結合三角形理論法計算得到操作條件；開啟模擬移動床，開啟各泵及時間切換開關，設定各泵流速，調節其參數直至均達到準確流量，然后穩定模擬移動床系統。

圖3 混合生育酚產品液相分析譜圖

(4) 收集樣品。切換時間為5 min，第一次先切換兩個循環(切換8根柱子為一個循環)，即80 min后，待系統達到穩定，在萃取液、萃余液和IV 區出口用錐形瓶收集樣品，每組樣品需從一次切換開始收集，到第二次切換結束時停止收集，每隔一段時間收集一組，收集若干組，用HPLC分析或TLC分析組成。

(5) 結果分析。收集完樣品后關閉模擬移動床的電源，用TLC分析樣品，根據圖譜顯示的信息分析調整操作條件，進行下一組實驗，直至得到純度較高的生育酚(TLC上看不到前雜和后雜)。最后用HPLC分析萃取液和萃余液樣品(見圖4)，直至得到純度大約98%的α-生育酚。

圖4 萃取液、萃余液的液相分析譜圖

本實驗通過現場實物對比和計算機仿真，加深學生對SMB原理的理解。離子交換法提純混合生育酚、制備液相色譜分離生育酚各組分和本實驗形成色譜技術的系列實驗，強化學生對色譜技術理解及應用，同時使學生熟練掌握了高效液相色譜、薄層色譜的分析操作方法；不同色譜實驗結果的分析對比使學生對SMB這一先進技術體會深刻，激發了學生的探索興趣，受到學生的一致認可和好評。

3 實踐效果

引入模擬移動床分離提純生育酚應用創新型實驗使我院的制藥工程專業實驗在同行中具有獨特性和先進性，實踐效果良好[11-12]。

3.1 學生收獲大

模擬移動床色譜價格昂貴，操作難度大，國內罕有高校在本科實驗教學中引入該分離技術。學生接觸這項前沿的分離技術及設備，增進了他們對專業的了解和熱愛，增強了學生的專業信心，激發了學習興趣。掌握和了解這一技術的學生，可有效拓寬專業知識領域、提高實踐創新能力，增加就業競爭力。

3.2 教學育人收獲大

該SMB實驗項目體現了我院的科研特色，將實驗教學與科研熱點和工程應用緊密結合，促進了科教融合，推動了科研育人[13-14]；結合專業特點和人才培養目標形成的與課程體系融為一體的該實驗項目是對原課程的有益補充和深化，優化了專業實驗教學體系，提高了本科生教學質量。

3.3 實驗開發空間廣闊

模擬移動床分離技術復雜，在“教-學-研”三方面都有具有較大的探索空間[15-16]。通過分組學生以團隊協作的方式開展實驗，實驗耗時長，適合引導學生深入思考，反復實驗，從而真正培養學生的科研思維能力和創新實踐能力。本實驗可以進一步以α-生育酚的純度和回收率為目標，研究進樣濃度、進料量和各區流速對模擬移動床分離α-生育酚的影響，從而得到該工藝最優的操作條件，通過畢業設計、科研項目等實踐平臺引導感興趣的學生繼續深入探究，不斷提高自身的綜合能力。該實驗項目也可作為研究探索型實驗在我院生物工程、化學工程與工藝專業或他校相關專業推廣，擴大學生受益面。

4 結 語

模擬移動床分離技術體現了我院的學科優勢，將創新特色實驗模擬移動床分離提純生育酚引入制藥工程專業實驗，成功實現優質科研資源轉化為實驗教學，豐富了實驗內容，提升了實驗教學質量，推動省級重點實驗教學示范中心的教學建設。該實驗項目的開發集中體現了我院省重點實驗教學示范中心“教-學-研”一體化的創新實驗教學體系的建設思想，突出了我院的市重點特色專業制藥工程的專業亮點。實驗項目的開展既提升了任課教師的教學素質和能力、又提高了學生的理論知識和動手實踐能力，真正實現教學相長，推動了人才培養模式的改革創新，有助于學校高素質應用型人才的培養。