模擬移動床利用安全因子法分離第三代高純果糖

曹龍奎，王菲菲，于 寧

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院，黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319；

2.黑龍江農(nóng)業(yè)經(jīng)濟職業(yè)學院，黑龍江 牡丹江 157041；3.黑龍江省乳品工業(yè)技術開發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

模擬移動床利用安全因子法分離第三代高純果糖

曹龍奎1，王菲菲2，于 寧3

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院，黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319；

2.黑龍江農(nóng)業(yè)經(jīng)濟職業(yè)學院，黑龍江 牡丹江 157041；3.黑龍江省乳品工業(yè)技術開發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

目的：研究以果葡糖漿為原料，利用模擬移動床法(simulated moving bed，SMB)，從果葡糖漿中分離第3代高純度果糖的工藝方法。方法：首先通過對分離度影響因素的分析，進行單柱脈沖實驗，確定樹脂型號、進料體積、進料流速、進料濃度以及操作溫度等操作參數(shù)，然后通過安全因子法得到SMB的簡易參數(shù)設計方法，確定模擬移動床的理論參數(shù)，并在實驗中修正得到實際的最佳參數(shù)。結(jié)果：理論模擬結(jié)果很好的吻合實驗結(jié)果，實驗得到模擬移動床最佳參數(shù)為切換時間469s、進料流速0.325L/h、洗脫液流速1.574L/h、提取液流速0.902L/h、提余液流速0.951L/h、循環(huán)流速1.897L/h；通過模擬移動床法分離第3代高純果糖純度為99.91%、得率為80.32%、葡萄糖純度為92.34%、得率為90.13%。

模擬移動床；安全因子法；參數(shù)設計；高純果糖

果糖是自然界中存在的最甜的糖品，由于它在水果和漿果中廣泛存在，因而被稱為果糖[1]。成分組成主要是果糖和葡萄糖，故稱為果葡糖漿。根據(jù)果糖含量的不同，果葡糖漿分為3種：F42糖(一代果葡糖漿，果糖含量42%)，F(xiàn)55糖(二代果葡糖漿，果糖含量55%)和F90糖(三代果葡糖漿，果糖含量90%)。果糖除能良好的應用于食品行業(yè)，且在醫(yī)療行業(yè)應用廣泛，被美、英、德、日等國家收錄入藥典，在某些國家已成為僅次于葡萄糖的第二大注射液。但我國實際產(chǎn)量不足，且多以F42糖為主，醫(yī)藥市場的果糖全靠進口解決。

模擬移動床(simulated moving bed，SMB)是常用的連續(xù)操作的色譜分離設備，可用來分離物理、化學性質(zhì)十分接近的混合物，如同分異構(gòu)體等[2]。1961年Broughton[3]首次提出模擬移動床概念，它是一種連續(xù)制備色譜技術，吸取了固定床和移動床工藝各自的優(yōu)點而設計的工藝。20世紀70年代到80年代SMB色譜技術主要應用于石油及食品的分離；到90年代以來，SMB技術開始用于藥物尤其是手性藥物的分離[4]，并且逐步進入其他應用領域，例如精細化工、化妝品和香料工業(yè)等。在國外工業(yè)中SMB已經(jīng)成為一種通用性的操作單元，例如比利時藥品公司UCB Pharma利用SMB來分離旋光異構(gòu)體，已達十噸級的規(guī)模[5]。20世紀80年代中期，由美國UOP公司將SMB技術并配以含有Ca2+的離子交換樹脂或分子篩作為分離介質(zhì)用于果糖與葡萄糖的分離，經(jīng)過研究與發(fā)展，利用SMB分離后，在提取液中果糖濃度為90%～94%，回收率在90%以上；提余液中葡萄糖的質(zhì)量分數(shù)也大于80%[6]。SMB還廣泛用于其他糖類的生產(chǎn)中，如在其他單糖的分離中，如木糖和阿拉伯糖以及木糖和葡萄糖的分離[7-8]。模擬移動床分離果葡糖漿的技術，在國外已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模的應用[9]，我國的應用研究也有了很大的進步，經(jīng)過SMB分離后可得到95%的果糖。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

F42果葡糖漿(質(zhì)量分數(shù)60%)、離子水 自制；漂萊特PCR-642型Ca2+樹脂 山東膠南金泰源海洋科技公司；701型強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 安徽三省樹脂科技有限公司。

1.2 儀器與設備

一根Φ1000mm×10mm不銹鋼單柱(可升溫)、模擬移動床 自制；TBP-1002雙柱塞輸液泵 上海同田生物技術有限公司；阿貝折射儀 上海長方光學儀器有限公司；1200高效液相色譜 美國安捷倫科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 模擬移動床分離過程工藝

典型的SMB是將多個色譜柱通過多通閥、泵等串聯(lián)成閉合環(huán)路，通過不斷切換閥門改變各股物料進出口位置，實現(xiàn)固液兩相的相對移動，進行不同組分的分離提取。它既有固定床吸附操作簡單的優(yōu)點，又有移動床連續(xù)操作的能力，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

本實驗分離高純度果糖功能區(qū)域的劃分為4個區(qū)如圖1所示，分別為：一精段3根、吸附段3根、二精段2根和解析段4根。它有兩個入口和兩個出口：進料FA和B和解析劑D通過入口連續(xù)進入系統(tǒng)，同時提取液AD、提余液BD通過出口流出。在操作工程中，液體的出入口位置按照一定的切換時間沿圖1所示的切換方向切換一次，來模擬固定相吸附劑相對于流動相逆向流動，從而達到和真實移動床等同的效果。對于特定的分離目標，選擇恰當?shù)姆蛛x參數(shù)，經(jīng)過一段時間運行后系統(tǒng)將會達到周期性的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 模擬移動床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulated moving bed

1.3.2 單柱脈沖實驗

在柱中裝填一定量的樹脂，用去離子水沖洗干凈后，備用。調(diào)整蠕動泵為一定轉(zhuǎn)速，以去離子水為洗脫劑，進行進樣。進樣后每4mL收集一個樣品，利用高效液相色譜法檢測樣品中果糖和葡萄糖的質(zhì)量分數(shù)及純度。以分離度為指標，選擇適合的樹脂，以及最適的進料體積、進料流速、進料濃度以及操作溫度等操作參數(shù)[10]。

1.3.3 SMB簡易參數(shù)設計

模擬移動床的參數(shù)估計需要進行復雜的數(shù)值模擬和大量的SMB實驗摸索[11]，并且對于不同的帶分離體系要進行不同的工作，這需要極大的工作量和工作時間。本實驗利用安全因子法，它主要要求測定競爭吸附等溫線，得到一些競爭性吸附數(shù)據(jù)，由此對SMB的分離系統(tǒng)設計其操作參數(shù)，得到SMB分離果葡糖漿的理論參數(shù)[12]。

1.3.4 SMB參數(shù)優(yōu)化設計

通過模擬移動床的實際操作，將理論值在實驗中進行修正優(yōu)化，得出最適的制備高純果糖的SMB參數(shù)。

1.3.5 指標測定

糖液的折光(固形物含量)由阿貝折射儀得出；果糖及葡萄糖純度和質(zhì)量分數(shù)的測定在高效液相色上進行，色譜條件：色譜柱：Reze×RPM-Monosaccharide Pb柱；檢測器：G1362A示差折光檢測器；柱溫：75℃；流動相：水；流速：0.8mL/min；進樣量：20μL。

式中：t2為果糖保留時間/min；t1為葡萄糖保留時間/min；W1為葡萄糖色譜峰峰寬/min；W2為果糖色譜峰峰寬/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 單柱脈沖實驗參數(shù)的確定

2.1.1 不同樹脂對分離度的影響

分別裝填漂萊特PCR-642 Ca2+、701型強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，進樣溫度為60℃，進樣體積為18mL，進樣質(zhì)量分數(shù)為60%(果糖為44.6%，葡萄糖為54.5%)，流速為1.62mL/min，用去離子水洗脫。在相同條件下進行實驗，結(jié)果見表1。

表1 不同樹脂對分離度的影響Table 1 Effect of resin type on separation degree

由表1可以看出，不同樹脂對果葡糖漿有一定的影響。利用PCR-642 Ca2+樹脂的分離度大于701型樹脂，因此選用PCR-642 Ca2+樹脂。

2.1.2 柱溫對分離度的影響

取漂萊特PCR-642 Ca2+樹脂裝柱，其他條件與1.1.1節(jié)相同，分別在50、55、60、65、70℃的操作溫度進行實驗，計算不同條件下的分離度，結(jié)果見圖2。

圖2 柱溫對分離度的影響Fig.2 Effect of column temperature on separation degree

如圖2所示，分離度隨著柱溫的增加而增大，當溫度達到60℃時，分離度最高。隨著操作溫度的升高可促進分離過程的進行，使分離效果提高，但由于吸附過程放熱，溫度過高，反而會影響吸附分離的效果。當溫度超過65℃時，果糖液會發(fā)生變黃，有氧化分解的現(xiàn)象。采用SAS 8.2統(tǒng)計軟件對其進行處理，在3次重復的因素分析中，F(xiàn)=129.90，P＜0.001，相關系數(shù)為0.981118，說明柱溫對分離效果有顯著差異。

2.1.3 洗脫流速對分離度的影響

其他條件不變，調(diào)節(jié)去離子水洗脫流速為0.35、0.81、1.62、2.42、3.53mL/min，計算不同條件下的分離度，結(jié)果見圖3。

圖3 流速對分離度的影響Fig.3 Effect of elution solution flow rate on separation degree

由圖3可知，洗脫流速對果葡糖漿的分離有很大的影響。在低洗脫流速下，吸附劑對果糖的吸附充分，分離效果好，洗脫流速快，使組分在柱中的停留時間短，溶液中的離子來不及擴散到樹脂內(nèi)部，分離時間短，分離效果差。因此，選擇1.62mL/min為較合適的洗脫流速。采用SAS 8.2統(tǒng)計軟件對其進行處理，在3次重復的因素分析中，F(xiàn)=437.10，P＜0.001，相關系數(shù)為0.994313，說明洗脫流速對分離效果有顯著差異。

2.1.4 進樣質(zhì)量分數(shù)對分離度的影響

其他條件不變，分別使果葡糖漿質(zhì)量分數(shù)調(diào)為40%、50%、60%、70%、80%開始進樣，計算不同條件下的分離度，結(jié)果見圖4。

圖4 糖漿質(zhì)量分數(shù)對分離度的影響Fig.4 Effect of syrup concentration on separation degree

由圖4可知，隨著糖漿質(zhì)量分數(shù)的增大，分離度逐漸減小。這是由于糖漿質(zhì)量分數(shù)增加柱的負荷增大且分離速度下降，從而使分離度下降。而糖漿質(zhì)量分數(shù)低，雖分離效果好，但生產(chǎn)效率低。因此，確定60%為最佳進樣質(zhì)量分數(shù)。采用SAS 8.2統(tǒng)計軟件對其進行處理，在3次重復的因素分析中，F(xiàn)=457.50，P＜0.001，相關系數(shù)為0.994565，說明進樣質(zhì)量分數(shù)對分離效果有顯著差異。

2.1.5 進樣量對分離度的影響

其他條件不變，分別將10、14、18、22、26mL糖液引入柱子，計算不同條件下的分離度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 進樣量對分離度的影響Fig.5 Effect of feeding volume on separation degree

由圖5可知，隨著糖漿進料量的增大，果糖與葡萄糖分離度逐漸減小。由于進料量的增加，加重柱子的負擔，是果糖吸附效果差，導致分離度降低。增大進料量，要想得到較好的分離效果，要使柱子更長。因此，在保證分離度較高的情況下，兼顧生產(chǎn)效率，確定18mL為最佳進料量。采用SAS 8.2統(tǒng)計軟件對其進行處理，在3次重復的因素分析中，F(xiàn)=407.10，P＜0.001，相關系數(shù)為0.993896，說明進樣量對分離效果有顯著差異。

2.1.6 果葡糖漿的分離曲線

圖6 洗脫曲線Fig.6 Elution curves of fructose and glucose

由圖6可知，洗脫液按順序分為幾部分，最先部分為稀糖液，糖分主要為葡萄糖，混有少量果糖；第2部分為濃糖液，主要為葡萄糖，但混有相當量的果糖；第3部分，主要為果糖，但有相當一部分葡萄糖；第4部分為濃糖液，主要為果糖，有少量葡萄糖。

2.2 SMB參數(shù)優(yōu)化設計

2.2.1 實驗參數(shù)的設定

由于在單柱脈沖實驗已經(jīng)得到一些重要的參數(shù)，在此階段所需的只是一次而簡單的實驗步驟，并不需要使用SMB裝置。

2.2.2 吸附等溫線的起始斜率

在一個單組分系統(tǒng)中，吸附等溫線給出了在特定溫度下達到平衡固定相質(zhì)量濃度C/(g/L)與流動相質(zhì)量濃度C/(g/L)之比。低質(zhì)量濃度時，吸附等溫線是線性的，可以寫成：

式(1)中：K為吸附等溫線斜率，利用保留時間即可得到吸附等溫線的初始斜率(K0)，這需要在單柱上進行脈沖實驗得到，然后通過式(2)可以求得這個保留時間：

式(2)中：t0=εV/Q，為零保留時間；ε是床層空隙率(其值通常在0.36～0.4之間)；tR為保留時間/min；K為固體吸附力系數(shù)。方程(2)為完整的吸附等溫線[14]，只有在線性條件下才是有效的，通過零保留時間，可以計算出兩種糖的保留時間。

本試驗設計12柱SMB系統(tǒng)，將F-42果葡糖漿溶液(葡萄糖質(zhì)量分數(shù)54.5%和果糖質(zhì)量分數(shù)44.6%)在一根1m×10mm(體積78.5mL)的色譜柱上，以1.62mL/min的純水作為洗脫劑，得到保留時間t葡萄糖=39.51min、t果糖=50.61min，壓力降為0.3MPa。得到零保留時間為t0=19.38min。

因此可以得到吸附等溫線的初始斜率：

2.2.3 計算真實移動床(ture moving bed，TMB)

對于給定的進料質(zhì)量濃度，TMB的設計主要是對不同流率的選擇：循環(huán)、進料、洗脫、萃出、殘液和固體流率(等效于SMB中的進出口切換周期)。為了在殘液中回收弱吸附組分A和在萃取液中回收強吸附組分B，使它們必須滿足表2中的條件。

對表2中的所有不等式引入一個相同的因子，可得到：

表2 達到分離的TMB內(nèi)部流率約束Table 2 Internal TMB flow rate constraints to achieve separation

由于在線性吸附條件下，兩組分存在式(1)的關系，式(3)可改寫成：

當選定了β后，就可以得到一個TMB中的所有流率了。β是一個安全因子，當β接近于1時，SMB在最大負載下工作，這時它對于塔板數(shù)和流率的變化顯得很敏感。當β值增加時，系統(tǒng)的生產(chǎn)率有所降低，但是更為穩(wěn)健。實際上，β值通常是在1.00～1.05之間[15]。另外，根據(jù)方程(4)還可以得到式(5)中約束條件，這個關系僅對線性吸附等溫線有效。

2.2.4 計算模擬移動床(SMB)）

表3 SMB和對應TMB的聯(lián)系Table 3 Relationship between SMB and TMB

TMB概念和SMB概念是近似的，對于一個TMB可以直接找到其最優(yōu)操作條件并且模擬這種過程，那么利用他們之間的相似性，就可以設計一個SMB操作條件。表3為SMB和TMB之間的聯(lián)系。

通過表3中兩者之間的關系，就可以從TMB的流率來求解出SMB的各個流率，并可以模擬出完整的SMB行為以此來精確選擇所需的配置。

由于待分離混合物總濃度60%，計算得出質(zhì)量濃度為594g/L，且SMB處理量為0.2kg/h，所以進料流率為0.34L/h，設β=1.05，可得M＆、

表4 SMB理論工作參數(shù)Table 4 Theoretical operating parameters of SMB

2.3 SMB參數(shù)優(yōu)化設計

圖7 切換時間延長對分離效果的影響Fig.7 Effect of increasing switching time on separation degree

延長切換時間導致各區(qū)的保留體積增加，如圖7所示，這會提高區(qū)2內(nèi)的純度和區(qū)3內(nèi)的得率，但同樣降低了區(qū)4內(nèi)的純度和區(qū)1內(nèi)的得率。當改變切換時間進行調(diào)整不再有效時，應通過改變區(qū)內(nèi)流速進行調(diào)整。這是SMB系統(tǒng)中一種微調(diào)的方法。即改變Z3/Zavg(Zavg為區(qū)1和區(qū)2流速的平均值)的比率和Z4/Zavg的比率，也可單獨改變其中一種。如圖8所示，提高Z3/Zavg提高了果糖的回收率，相反，降低Z4/Zavg比率也可以提高果糖純度。因此，本實驗要得到高純度果糖，其純度在99%以上，就應該相應地延長切換時間，對各個區(qū)域流速進行微調(diào)。

圖8 工作區(qū)流速提高對分離效果的影響Fig.8 Effect of work zone flow rate on separation degree

表5 SMB實際工作參數(shù)Table 5 Experimental operating parameters of SMB

經(jīng)過微調(diào)得到實際的最佳操作條件，如表5所示。在該條件下，最終在提取液出口得到純度為99.91%的果糖，得率為80.32%，在提余液出口得到葡萄糖92.34%，得率為90.13%。

3 結(jié) 論

3.1 通過單柱脈沖實驗，以分離度為指標，得到漂萊特PCR-642 Ca2+樹酯有較好的吸附效果，最佳進樣條件：柱溫60℃、進樣質(zhì)量分數(shù)60%、洗脫流速1.62mL/min、進樣量18mL。

3.2 利用單柱脈沖實驗所得結(jié)果，通過安全因子法得到SMB的簡易參數(shù)設計方法，確定模擬移動床的理論參數(shù)。

3.3 通過模擬移動床的實際操作，將理論值在實驗中進行優(yōu)化，得到最適的制備高純果糖的SMB參數(shù)：切換時間469s、進料流速0.325L/h、洗脫液流速1.574L/h、提取液流速0.902L/h、提余液流速0.951L/h、循環(huán)流速1.897L/h。在該操作條件下，果糖純度達到99.91%，得率為80.32%，葡萄糖純度為92.34%，得率為90.13%。

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Conversion of High Fructose Corn Syrup F42to F90with Simulated Moving Bed by Safety Factor Method

CAO Long-kui1，WANG Fei-fei2，YU Ning3
(1. Agri-Food Processing Development Centre of Heilongjiang, College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China；2. Heilongjiang Agricultural Economy Vocational College, Mudanjiang 157041,China；3.Heilongjiang Research Center of Diary Industry Technology, Harbin 150086, China)

Purpose：To prepare high fructose corn syrup F90 (with a fructose content of 90%) from F42 (with a fructose content of 42%) by simulated moving bed chromatography (SMB). Methods：The effects of resin type, feeding volume and rate, corn syrup concentration and operating temperature on separation degree were investigated by single-column pulse experiments. The theoretical SMB parameters were identified by the safety factor method and experimentally modified to be the optimal parameters. Results：The theoretically stimulated and experimental results showed good agreement. The optimal SMB parameters were switching time 469 s, feeding rate 1.574 L/h, elution solution flow rate 0.325 L/h, extraction solution flow rate 0.902 L/h, raffinate flow rate 0.951 L/h, and cycling flow rate 1.897 L/h. The yield and purity in the final product were 80.32% and 99.91% for fructose and 90.13% and 92.34% for glucose, respectively,

simulated moving bed；safety factor method；parameter design；high pure fructose

TQ021.8；TS244.12；TS203

A

1002-6630(2011)14-0034-06

2009-11-27

黑龍江省科技廳重點攻關項目(GB07B408)

曹龍奎(1965—)，男，教授，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工工藝與設備。 E-mail：longkuicao@yahoo.com.cn