模擬移動床色譜分離甘露醇工藝

張前峰，王麗珍

(山東兆光色譜分離技術有限公司，山東 鄒平，256205)

甘露醇(mannitol)是山梨醇的同分異構體，為白色透明狀固體，有類似蔗糖的甜味[1]。在醫藥領域，甘露醇是良好的利尿劑，能降低顱內壓和眼壓，并作為治療腎病的藥劑[2]；因其具有無吸濕性、干燥快、化學性質穩定等特點，可制成抗菌、抗癌藥物以及維生素等的片劑[3]；在食品領域，可用作低吸水性、低熱值的甜味劑[4]。隨著國家加大內循環經濟的調控，甘露醇的價格與產量逐年呈上升趨勢。

當前工業化生產結晶甘露醇主要有2種工藝[5]：一種是以果糖為原料，氫化以后轉化為甘露醇，然后經過蒸發濃縮，2次降溫重結晶而得；另一種是以葡萄糖為原料，通過化學合成異構、差向異構與酶催化異構等步驟，轉變成甘露糖，然后加氫轉化為甘露醇，再經過3次降溫重結晶以及濃縮結晶生產結晶甘露醇。在目前的工業化生產中，結晶甘露醇主要以多次降溫重結晶的方式制備。該工藝存在的問題是：結晶過程會產生大量母液，由于母液的重復回配，導致雜醇不斷富集，繼而造成產品純度低、結晶收率低，導致獲得較高純度的甘露醇生產成本居高不下，企業難以獲得更高的經濟效益。

模擬移動床是近幾年興起的一項分離技術[6]。其原理是根據物料中組分的性質差異達到分離的效果，一般可分為2組分色譜分離技術、3組分色譜分離技術以及多組分色譜分離技術等，其中3組分色譜分離技術是在2組分色譜分離的基礎上延伸與改進的新型技術[7]，該技術通過對各種成分在固定相中運行時間與運行速度的控制，最終達到將3種組分分開的目的，不僅能夠有效去除雜醇，提高產品的結晶收率，還可以使物料中各種組分得到合理的利用，從而開發出多元化的產品。目前，隨著對模擬移動床分離技術的研究，這種3組分色譜分離模式越來越受到人們的關注。本研究通過對模擬移動床的3組分色譜分離系統中分離樹脂、各分離參數進行研究和優化，對模擬移動床高效分離甘露醇的工藝進行實踐和論證。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 主要實驗材料

甘露醇(含山梨糖醇、甘露醇、麥芽糖醇、雜醇等)，壽光天力藥業有限公司；色譜分離專用樹脂，Amberlite 99Ca310型、Amberlite 99K310型，杜邦生物化學公司。

1.1.2 主要儀器與設備

PHS-3C型pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司；WAY-2S數顯阿貝折射儀，上海申光儀器儀表有限公司；HWS-28超級恒溫水浴鍋，上海一恒儀器有限公司；XPR106DUHQ/AC電子天平，梅特勒-托利多國際有限公司；SHZ-D(Ⅲ)真空抽濾泵，英峪予華儀器廠；UPHW-IV-90T純化水機，南京優浦儀器設備有限公司； 1515高效液相色譜儀，美國Waters儀器公司；中試級示范性色譜設備(樹脂總裝填量3.5 m3，美國羅克韋爾控制系統)，山東兆光色譜分離技術有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樹脂單柱分離甘露醇

首先使用純水洗滌實驗用色譜樹脂，直至樹脂上部純水的電導率、pH值與實驗所用純水的電導率、pH值相同；接著打開單柱上部的篩板，將樹脂緩緩倒入單柱中(裝填時速度不宜過快，避免在裝填時樹脂中產生氣泡)；樹脂裝填完畢后添加單柱上部篩板，然后用甘露醇主物料收縮樹脂2次以上，盡量減少樹脂裝填的“死體積”；然后使用恒溫水浴鍋對單柱進行預熱升溫，待單柱溫度升至60 ℃后，開啟循環泵，在運行壓力0.3 MPa，流速1.8 mL/min條件下進樣，一般進樣量為10 mL，記錄流出液體積；待物料進樣完畢，從柱下取樣口取樣測定甘露醇濃度，待甘露醇出樣時開始收集樣品，確保每份收集樣的量約為4 mL，檢測樣品的折光率和組成成分。待其折光達到0%時，停止樣品收集。以出樣體積為橫坐標，各種成分的相對濃度為縱坐標，繪制單柱評價曲線圖，并計算樹脂對甘露醇的分離度，并由此定性定量該樹脂對甘露醇物料各組分的分離效果。

1.2.2 中試級色譜分離操作工藝流程

中試色譜示范型裝置的操作包括系統試漏、樹脂裝填、系統預熱、參數調節等部分，具體操作內容如下：首先對色譜柱進行保壓試漏工作，排查系統閥門、管道存在的漏點；然后用隔膜泵裝填實驗所用的樹脂。樹脂裝填完畢，啟動“預熱”程序，用熱水對系統進行升溫，在溫度到達預設值以后，輸入初步的運行參數；然后開啟色譜系統的自動運行功能。當程序運行完一個周期，溫度壓力都達到穩定以后，再把色譜進料罐中的純水換成原料，色譜正式進料；并從8 h后開始取樣分析色譜出料的濃度及組成，此后間隔4 h取樣，繼續跟蹤出料濃度以及純度變化，并最終將運行參數調至最佳。

1.2.3 甘露醇中各個組分含量的測定

采用面積歸一法測定各組樣品含量。首先利用標準樣品確定各糖醇的保留時間，然后用各糖醇的峰面積與所有色譜峰的總面積比值，計算各成分的相對含量。液相條件為：柱溫85 ℃；示差檢測器溫度為40 ℃；進樣量10 μL；流動相為超純水，流速0.6 mL/min；色譜柱為Sugar Park-1(7.8 mm×300 mm)。

1.2.4 結晶甘露醇的傳統生產方法

在傳統的生產工藝中，主要采用多次降溫結晶的方式來制備高純度的結晶甘露醇。即通過結晶不斷提高甘露醇的純度，最終獲得高純度結晶甘露醇，其工藝流程如圖1所示。

圖1 結晶甘露醇的傳統生產工藝流程圖Fig.1 Flow chart of traditional production process of crystalline mannitol

傳統工藝生產結晶甘露醇的具體操作如下：

首先配制質量分數50%葡萄糖溶液，然后加入催化劑七鉬酸銨(按照葡萄糖干基0.02%～0.3%的比例)，在溫度100～110 ℃，pH 3.0～3.5的條件下，異構90 min，得到甘露糖含量30%左右，葡萄糖含量69%左右的混合液。其次將混合液打入脫色罐，加入0.5%(干基比)的活性炭進行脫色，經板框過濾后，進入離交系統進行精制處理。在離交液進入異構酶反應罐后，加入質量分數0.003 6% MgSO4和質量分數0.011%的NaNO2以及質量分數0.03%～0.06%的葡萄糖異構酶，在55～60 ℃條件下進行異構，得到葡萄糖40%，甘露糖30%，果糖30%的混合液；異構混合液先進行脫色、離交，然后再濃縮至濃度55%進入反應釜；以雷尼鎳作為催化劑，在溫度120～140 ℃，壓力4.5～8 MPa的條件下，進行氫化反應，得到含量42%左右的甘露醇混合液；最后經過2次冷結晶與一次蒸發結晶得到純度99%以上的結晶甘露醇，而純度10%左右的甘露醇母液則從系統中外排。

1.2.5 模擬移動床色譜分離甘露醇的方法

模擬移動床色譜分離技術能把2種或者多種性質相似或相近的物質分開，因而受到企業的青睞，而3組分色譜分離技術就是在此基礎上延伸開發出來的。該工藝不僅體現了當今清潔生產的新理念，還為客戶開發多元化產品奠定了基礎。3組分色譜分離制備結晶甘露醇的工藝流程如圖2所示。

圖2 三組分模擬移動床色譜分離制備結晶甘露醇工藝流程圖Fig.2 Flow chart for preparation of crystalline mannitol by three component simulated moving bed chromatography注：AD為慢組分；BD為中間組分；CD為快組分

新型工藝生產結晶甘露醇的具體操作如下：首先將質量分數為50%、純度為41%的甘露醇，通過模擬移動床色譜系統進行分離，可獲得3種不同的組分。其中AD相為慢組分，主要為純度90%的山梨醇；BD相為中間組分，主要為純度85%以上的甘露醇；CD相為快組分，主要為純度10%以下的雜醇。其中，AD相可以進入日化級山梨醇系統，生產日化級山梨醇產品；而CD相先通過RO膜處理，透析出的純水可以回到色譜進水罐進行利用，而濃相則進入山梨醇系統，生產日化級山梨醇。其次，色譜分離所得BD相，先經過蒸發濃縮至濃度50%，然后注入結晶罐進行熱結晶；結晶所得物料通過絞龍機輸送至離心機進行離心；離心后的出料通過沸騰干燥劑制成結晶甘露醇成品；而離心以后的母液則可以回到色譜前罐進行二次利用。

2 結果與分析

2.1 兩種不同樹脂單柱評價甘露醇分離效果

2.1.1 鈣型樹脂Amberlite 99Ca310對甘露醇的分離

表1為鈣型樹脂Amberlite 99Ca310分離甘露醇的單柱評價實驗數據。

該樹脂的單柱評價曲線如圖3所示。在圖3中，橫坐標表示2種組分流出液的體積，縱坐標表示2種組分流出液的質量百分比。此外，分離度代表樹脂對物料中2種不同組分的分離效果，分離度越高，分離效果越好。通過對曲線圖中甘露醇與山梨醇色譜峰的各項指標進行測量，將測定的數值代入分離度公式，鈣型樹脂對2組分的分離度按公式(1)計算：

表1 鈣型樹脂分離甘露醇的單柱評價實驗Table 1 Experimental data of single column evaluation of mannitol separation with calcium type resin

續表1

圖3 鈣型樹脂單柱評價甘露醇流出液體積與濃度曲線圖Fig.3 Chart of volume and concentration of mannitol effluent evaluated by single column calcium type resin

(1)

式中：R，分離度；V山，山梨醇從質量分數0%至最高質量分數的流出液體積；V甘，甘露醇從質量分數0%至最高質量分數的流出液體積；W1/2山，山梨醇色譜峰半峰寬的寬度；W1/2甘，甘露醇色譜峰半峰寬的寬度。

圖3中各組分對應的半峰寬以及流出液體積關系如圖4所示。根據圖4中測量的數值，R=(93-83)/(18+30)=0.208，即山梨醇與甘露醇的分離度為0.208。

圖4 鈣型樹脂分離度計算示意圖Fig.4 Schematic diagram for calculation of separation of calcium type resin

2.1.2 鉀型樹脂Amberlite 99K310對甘露醇的分離實驗

鉀型樹脂Amberlite 99K310分離甘露醇的單柱評價實驗數據詳見表2。

表2 鉀型樹脂分離甘露醇的單柱評價實驗Table 2 Experimental data of single column evaluation of mannitol separation with Potassium type resin

續表2

該樹脂的單柱評價曲線如圖5所示。

圖5 鉀型樹脂單柱評價甘露醇流出液體積與濃度曲線圖Fig.5 Chart of volume and concentration of mannitol effluent evaluated by single column potassium resin

采用與鈣型樹脂分離度相同的計算方式來計算鉀型樹脂對2種組分的分離度。通過對分離度曲線圖中甘露醇與山梨醇色譜峰的各項指標進行測量，即可以計算出甘露醇對山梨醇的分離度。曲線圖中各組份對應的半峰寬以及流出液體積值如圖6所示。根據圖6數據，R=(70-66)/(16+17)=0.121，即山梨醇與甘露醇的分離度為0.121。

圖6 鉀型樹脂分離度計算示意圖Fig.6 Schematic diagram for calculation of separation of potassium type resin

通過對以上2種樹脂的單柱評價數據進行分析，可以得出如下結論：

從出料濃度的角度分析：采用鈣型樹脂，甘露醇組分最高質量分數為16.1%；采用鉀型樹脂，甘露醇組份最高質量分數為15.57%。鈣型樹脂對甘露醇的吸附效果要優于鉀型樹脂。從洗脫液用水量的角度分析：采用鈣型樹脂，洗脫液用水量為60 mL；采用鉀型樹脂，洗脫液用水量為40 mL。鉀型樹脂用水量要少于鈣型樹脂。從分離度的角度分析：采用鈣型樹脂分離度為0.208；采用鉀型樹脂分離度為0.121。鈣型樹脂對山梨醇與甘露醇的分離度要大于鉀型樹脂。

綜上所述，除洗脫液用水量以外，在出料濃度與分離度指標方面，鈣型樹脂都優于鉀型樹脂；而用水量指標可以通過運行參數進行調節，所以最終選擇鈣型樹脂作為分離介質。

2.2 色譜分離純化甘露醇優化的工藝參數

利用3組分模擬移動床色譜分離工藝，不但可以去除混合體系中雜醇(此處為山梨醇)、純化甘露醇，而且能夠獲得日化級山梨醇產品。分離參數及優化指標見表3～表5。

表3 色譜出料慢組分(AD液)指標 單位：%

表4 色譜分離中間組分(BD液)指標 單位：%

表5 色譜分離快組分(CD液)指標 單位：%

在色譜分離過程中，受色譜進料組成不穩定的影響，色譜出料的各個組分始終處于波動狀態，由表3～表5可知，主產品甘露醇純度為85.86%，收率為93%，雜糖醇收率85%以上。由此可見，色譜分離工藝具有很好地回收主產品以及去除雜糖醇的能力。

2.3 兩種生產工藝指標及經濟效益比對

對甘露醇的傳統生產工藝和本文研發的3組分模擬移動床工藝的工藝指標和生產過程的成本(經濟效益)進行對比，結果見表6。

表6 同種物料情況下2種生產工藝出料指標對比單位：%

表6反映了在同種物料的條件下，傳統工藝與色譜分離工藝出料產品的各項指標的對比表。傳統的結晶工藝主產品甘露醇的純度為80.88%，山梨醇純度為17.96%，麥糖醇純度為1.16%，說明山梨醇始終是在主產品這邊富集，采用傳統的結晶工藝，山梨醇與雜糖醇很難去除。而采用色譜分離工藝，主產品的純度能達到85%以上，山梨醇純度降到13.84%，雜糖醇純度能降到0.21%，說明采用色譜分離工藝，甘露醇的純度提高，山梨醇與雜糖醇的含量降低，色譜收率以及后道工序的結晶收率大大提高。

年產1萬t結晶甘露醇經濟效益分析見表7。按照傳統結晶生產1 t結晶甘露醇需要消耗2.3 t原料、15 t水、5.5 t蒸汽，用電約700 kWh。折合后可得，采用此工藝生產1 t結晶甘露醇成本約為8 730元；而采用模擬移動床分離工藝，折合價格后，生產1 t結晶甘露醇成本約為8 575元，生產成本明顯下降。

表7 以年產1萬t結晶甘露醇為例進行經濟效益分析Table 7 Analysis of economic benefits taking crystalline mannose annual output of 10 000 t as an example

根據表7中數據進行計算和分析，從生產成本上來講，色譜分離工藝比傳統的結晶工藝節省成本155元；以年產1萬t結晶甘露醇為例，利用色譜分離技術，每年可以降低的運行成本為155萬元。從長遠利益來講，隨著人工費用的增加，采用色譜工藝每年可節省275萬元。由此可見，采用色譜工藝的成本較傳統工藝明顯降低。綜上所述，無論從設備投資、占地面積、自動化程度以及工藝路線上來講，采用色譜工藝代替結晶工藝都具備很大的優勢。

3 結論與討論

在甘露醇制備工藝中，雜醇的積累是影響結晶甘露醇收率高低的關鍵因素。本文采用色譜分離技術，不但解決了雜醇山梨醇的積累問題，而且可以使中間產品純度提升5%，收率提升3%，在提高純度和收率的同時降低了生產成本。該新型色譜工藝可以代替傳統的3次降溫結晶，可以一步將物料純度從41%提升至85%以上；同時，通過色譜系統將物料中雜醇從AD與CD相進行外排從而避免雜醇對后續結晶的影響，使得結晶收率與產品質量大大提高。

本文通過模擬移動床色譜技術對甘露醇的分離進行了研究，結果表明該工業化色譜分離技術是可行的。本研究結果可為類似產品通過3組分模擬移動床色譜技術的分離提供參考方法和數據支持，有利于我國糖醇加工產業的深化發展和企業生產工藝的轉型升級。