CN100450575C - 制备型连续进料错流萃取色谱分离*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及错流萃取装置，特别指一种制备型连续进料错流萃取色谱分离***。它包括至少四台连续萃取器；由机体的进出口管路连接组成网络结构：一个料液泵，用于输送待分离混合物至萃取器；一个水相或重相泵，用于将水相流动相输送至萃取器；一个有机相或轻相泵，用于将有机相流动相输送至萃取器；一组有机相洗脱液接收器，用于将待分离混合物中亲油的组分收集于各个有机相洗脱液接收器中；一组水相洗脱液接收器，用于将待分离混合物中亲水的组分收集于各个水相洗脱液接收器中；其中各个出口中的物质组成及浓度均不相同，并按一定的规律流出，从而达到分离各种物质的目的。本发明连续进料、处理量大；分离选择性高；可以同时分离含两种以上物质的混合物。

Description

制备型连续进料错流萃取色谱分离***

技术领域

本发明涉及错流萃取装置，特别指一种适用于高选择性、大处理量、连续分离含两种及两种以上组分的混合物的色谱分离技术及装置，并称之为制备型连续进料错流萃取色谱分离***。

背景技术

将混合物分离为单个纯物质是一个重要的科研课题，是分离科学的主要研究内容。人们现已开发了多种分离技术，其中色谱分离技术具有选择性好、分离效率高、能耗低、可分离传统分离方法难以分离的物质以及热敏性物质等优点，广泛应用于化学、化工、医药和食品等工业。典型的色谱分离技术的原理是利用混合物组分在固定相中吸附和分配系数的微小差别，达到各组分彼此分离的目的。但一般的色谱仪器采用的固定相是固定不动的，且固定相的容量较小，常采用分批进样上柱，由流动相将上柱的样品洗脱出来，并使混合物得到分离。为了提高色谱仪的处理能力，人们研制出了许多种具有工业分离规模的色谱***。它们根据操作过程的特性可分为：批处理色谱***和连续色谱***。批处理色谱***是在分析型色谱的基础上，通过色谱柱的放大、增加进样量来提高分离能力的。批处理色谱***从六十年代开始最早实现了工业规模的物质分离与提纯。其最大优点是操作简单、设备投资低，而且只要有合适的条件、足够的流动相就能把各种组分分开。但是，这种***不能实现连续进样，还存在分离不连续、色谱柱的利用效率低、溶剂的消耗大、产品的浓度低等缺点，而且色谱柱的放大比较困难。研究得较成功的连续制备型色谱是连续逆流色谱，其研究工作最早是从移动床***开始的，在移动床***中，流动相在泵的作用下由下向上流动，而填料依靠重力作用向下流动，柱的中部连续进料，分离的结果是弱吸附组分从塔顶流出，而强吸收组分在固定相的作用下从塔底流出。由于是靠填料本身的移动来实现逆流操作，吸附剂的磨损是很严重的，填充的不均匀性以及大的空隙率使传质效率大大降低，而且由于固体填料的逆流移动很难控制，因此这种真正的移动床***在实践中很难实现。为了避免固定相移动所带来的一系列问题，可将固定相装在许多柱子里，各柱子之间依次首尾相连，这样就产生了移动柱***。移动柱***通过柱的移动来代替填料的直接移动，克服了真正逆流移动床色谱***的不足，但其本身有不可逾越的缺陷，即在较高的***操作压力下，在移动的色谱柱与静止的出口之间很难实现可靠的机械密封。在这种情况下，人们开发了模拟移动床技术，在此类***中，吸附相由若干个互相连接的色谱柱组成，通过沿流动相方向有次序地移动与出口的位置，从而有效地模拟了固定相与流动相的相对逆流流动。模拟移动床色谱可使工业制备色谱分离过程实现自动化操作，从而保证了产品质量的稳定可靠。但目前模拟移动床色谱技术在工业中的应用主要局限于两组分体系的分离，多组分体系的模拟移动床色谱分离的工业可行性还有待于进一步研究，而且该技术仍然采用昂贵的固定相，其吸附容量较低、样品处理量不大。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中的缺点和不足加以创新，提供一种能连续大量进料、且具有高选择性、高分离度、并能分离多组分混合物的色谱***。

本发明的技术方案是：采用能进行连续萃取操作的萃取器，作为一个萃取单元，采取特定的进样及洗脱流程，将混合物进行逐个分离的***，它包括：

至少四台连续萃取器；由机体的进出口管路连接组成网络结构；

一个料液泵，用于输送待分离混合物至萃取器；

一个水相或重相泵，用于将水相流动相输送至萃取器；

一个有机相或轻相泵，用于将有机相流动相输送至萃取器；

一组有机相洗脱液接收器，用于将待分离混合物中亲油的组分收集于各个有机相洗脱液接收器中；

一组水相洗脱液接收器，用于将特分离混合物中亲水的组分收集于各个水相洗脱液接收器中；

其中各个出口中的物质组成及浓度均不相同，并按一定的规律流出，从而达到分离各种物质的目的。

本发明有以下优点：

1、连续进料、处理量大：与一般色谱法不同的是，本方法能真正实现连续进样，并且可以采用料液泵不间断地大量进料，料液的流速根据离心萃取器的处理能力来确定，一般在0.001～10m³/小时的范围内。

2、分离选择性高：由于采用了单口进样、多口错流洗脱的流程，并采用了可进行连续萃取操作的萃取设备，因此可以将萃取色谱中的萃取与反萃微过程得以放大，这也使得本方法能够达到色谱分离的效果，使得混合物中的各组分得到较好的分离。传统的萃取色谱技术一般是利用待分离组分在固定相和流动相之间进行多次萃取与反萃来实现物质的分离，固定相常常是键合在硅胶等固体微球上的有机化合物，若想更换有机化合物，就必须整体地更换固定相，而本发明的“固定相”为液体，可以很方便地更换有机相，同时也可以通过在有机相及水相中添加适当的具有分子识别能力的萃取剂，从而使流动相对于待分离组分具有双向识别能力，可以有选择性地将样品中各种待分离物质的分配系数拉开，从而有利于分离难分离物质，包括光学对映体和同分异构体。

3、可以同时分离含两种以上物质的混合物：目前在工业中应用的模拟移动床色谱技术，通过固定相的模拟移动，可以在表观上实现连续进料(实质仍然是分批进料)，但该技术的局限是只能分离含两类物质的双组分体系。本发明则完全具有传统的萃取色谱技术的高分辩能力和同时分离多组分混合物的能力。

附图说明

附图为本发明***流程图

具体实施方式

由附图可知，本发明包括：

至少四台连续萃取器；由机体的进出口管路连接组成网络结构；

一个料液泵(P2)，用于输送待分离混合物至萃取器；

一个水相或重相泵(P3)，用于将水相流动相输送至萃取器；

一个有机相或轻相泵(P1)，用于将有机相流动相输送至萃取器；

一组有机相洗脱液接收器，用于将待分离混合物中亲油的组分收集于各个有机相洗脱液接收器中；

一组水相洗脱液接收器，用于将待分离混合物中亲水的组分收集于各个水相洗脱液接收器中；

其中各个出口中的物质组成及浓度均不相同，并按一定的规律流出，从而达到分离各种物质的目的。

本发明所述的连续萃取器可以采用离心萃取器或膜萃取器，每个萃取单元有两个进口和两个出口。所述的萃取器作为萃取单元它的组合方式为m行×n列，其中m、n为≥2的任意数。所述的离心萃取器D(1，1)的重相出口与离心萃取器D(1，2)的重相入口相连接，离心萃取器D(1，1)的轻相出口与离心萃取器D(2，1)的轻相入口相连接；类似地，离心萃取器D(1，2)的重相出口与离心萃取器D(1，3)的重相入口相连接，离心萃取器D(1，2)的轻相出口与离心萃取器D(2，2)的轻相入口相连接；错流萃取色谱分离装置中所有离心萃取器均按此方式进行连接。所述的料液泵P2将待分离混合物输送到离心萃取器D(1，1)，水相泵P3将水相流动相同时输送至离心萃取器D(2，1)、D(3，1)、直至D(m，1)，有机相泵P1将有机相流动相同时输送至离心萃取器D(1，1)、D(1，2)、D(1，3)、直至D(1，n)；待分离混合物中亲油的组分主要从有机相出口(L1、L2、L3、及Ln)中流出并收集于各个有机相洗脱液接收器中；待分离混合物中亲水的组分主要从水相出口(H1、H2、H3、及Hm)中流出并收集于各个水相洗脱液接收器中；各个出口中的物质组成及浓度均不相同，并按一定的规律流出，从而达到分离各种物质的目的。所述的有机相泵P1输送到离心萃取器的有机相流动相可以是低分子量的、与水相流动相不相溶的任何烃类、醇类、酸类、酯类等有机溶剂，可以是纯溶剂，也可以是混合溶剂，其密度一般比水小；如果密度比水大，同样可以进行分离操作，但需注意离心萃取器的重相入口与轻相入口应该进行互换。所述的水相泵P3输送到离心萃取器的水相流动相可以是纯水，也可以是无机酸、碱、盐类水溶液。所述的分离操作一般在低温(0～100℃)、低压(0～10bar)下进行，料液、水相流动相及有机相流动相的流速应根据离心萃取器的处理能力来确定，一般在0.001～10m³/小时的范围内。所述的本***适合于分离各种金属离子、无机化合物、有机化合物及生物大分子；通过在水相及有机相中添加适当的具有分子识别能力的萃取剂，可以将样品中各种待分离物质的分配系数拉开，从而有利于分离难分离物质，包括光学对映体和同分异构体。

下面以离心萃取器作为萃取单元为例，进一步说明其萃取单元的连结方式、以及进样和洗脱流程。

附图是错流萃取色谱装置流程图，图中每一个方框表示一台离心萃取器，其在分离***中的位置用D(m，n)表示，这里借用了数学上的行、列的概念，其中m表示离心萃取器在分离***中所处的行数(即横向排列的离心萃取器的横排序数)，而n表示离心萃取器在上述分离***中所处的列数(即纵排序数)。例如，D(1，1)表示处于分离***中第一行、第一列的离心萃取器。离心萃取器D(1，1)的重相出口与离心萃取器D(1，2)的重相入口相连接，离心萃取器D(1，1)的轻相出口与离心萃取器D(2，1)的轻相入口相连接。类似地，离心萃取器D(1，2)的重相出口与离心萃取器D(1，3)的重相入口相连接，离心萃取器D(1，2)的轻相出口与离心萃取器D(2，2)的轻相入口相连接。错流萃取色谱分离装置中所有离心萃取器均按此方式进行连接。装置中离心萃取器的组合方式用通式m×n表示，m、n为≥2的任意数，但一般取值在300以下就能满足绝大多数物质分离的需要。

进样方式及两种流动相的流程；水相流动相泵(P3)将水相流动相输送至第一列各个萃取操作单元，有机相流动相泵(P1)将有机相流动相输入第一行的各个萃取操作单元，利用进样泵(P2)将含有多种被分离物质的混合样品的水溶液输至D(1，1)，样品水溶液在该萃取单元与有机流动相进行混合，被分离物质在水相和有机相之间进行分配，混合物通过离心萃取器实现两相分离，含有被分离物质的水相再进入D(1，2)，继续与有机相进行混合、分配及两相分离，而含有被分离物质的有机相进入D(2，1)，再与水相流动相进行混合、分配及两相分离。类似地，从D(1，2)流出的水相进入D(1，3)，有机相进入D(2，2)，而从D(2，1)流出的水相进入D(2，2)，有机相进入D(3，1)，其它依此类推。通过各个萃取单元的分离，待分离混合物中亲油的组分主要从有机相出口(L1、L2、L3、及Ln)中流出并收集于各个有机相洗脱液接收器中，待分离混合物中亲水的组分主要从水相出口(H1、H2、H3、及Hm)中流出并收集于各个水相洗脱液接收器中。

本发明分离原理：基本原理是利用了被分离物质在两相中的分配系数的不同，采用错流萃取的方式，通过多次萃取与反萃，从而使混合物得到分离。其实质是一种液相萃取色谱，只是需要通过一种特定的萃取组合方式及采用一种可进行连续萃取操作的萃取器才得以实现。

由附图可以看出，模型的右面有多个水相出口，从上到下的编号为H1、H2、H3、......、Hm，对于待分离的混合物中某一待分离物而言，其在水相出口的浓度通式设为C_H ^m，n，m，n分别为离心萃取器重相出口所处的行、列数；而模型的下方有多个有机相出口，从左到右面的编号为L1、L2、L3、......、Ln，对于待分离的混合物中某一待分离物而言，其在有机相出口的浓度通式设为C_L ^m，n。

若使多组分料液中各个待分离物质得到分离，就必须使料液通过本装置后，各种待分离的物质浓度在装置出口中存在一定的浓度差别。每种物质在各个出口的浓度相差越大，分离得越好。理想的情况是某一种物质在某一个、或某几个出口中流出，而其中不含或少含其它物质。

实际上，可以通过理论推导，得到待分离物质在各出口处的浓度计算公式。为了简便起见，进行理论推导时有必要对有关分离条件进行规定，并作一些假设：1)水相及有机流动相是互不相溶的；2)两种流动相不与待分离物发生缔合、离解和化学反应等；3)水相、有机流动相及料液在各个入口的流速相等，即单位时间内通过的体积相等；4)待分离物在分离过程中的分配系数k不变；

设原料样品中任一种A物质的浓度为C₀，分配系数为k_A其在任一个萃取单元D(m，n)中的水相浓度为C_A(H) ^m，n，而在有机相中的浓度为C_A(L) ^m，n

当m＝1，n＝1时，即在D(1，1)单元中，根据质量守恒定理及流速相等的假定，存在下列关系：

$C_0=C_{A\left(L\right)}^{\mathrm{1,1}}+C_{A\left(H\right)}^{\mathrm{1,1}}...\left(1\right)$

而根据分配定律，则有：

$k_A=\frac{C_{A\left(L\right)}^{\mathrm{1,1}}}{C_{A\left(H\right)}^{\mathrm{1,1}}}...\left(2\right)$

根据上述(1)、(2)两式，可以求得D(1，1)单元水相出口处物质A的浓度：

$C_{A\left(H\right)}^{\mathrm{1,1}}=\frac{C_0}{k_A+1}$

同理，可以计算D(1，1)单元有机相出口处物质A的浓度： $C_{A\left(L\right)}^{\mathrm{1,1}}=\frac{C_0{k}_A}{1+k_A}$

其它各萃取单元中待分离物在有机相的浓度和水相中的浓度可以通过类似处理及计算求出。任一待分离物质在有机相萃取单元数为m和水相萃取单元数为n的水相出口浓度C_H ^m，n和有机相出口浓度C_L ^m，n表达式为：

$C_H^{m,n}=\frac{n(n+1)K(n+m-2)C_0}{(m-1)!}\·\frac{k^{m-1}}{{(1+k)}^{n+m-1}}$

$C_L^{m,n}=\frac{n(n+1)K(n+m-2)C_0}{(m-1)!}\·\frac{k^m}{{(1+k)}^{n+m-1}}$

由上述两式可以看出，在进样浓度(C₀)一定的前提下，C_H ^m，n、C_L ^m，n的值与萃取单元数m、n及分配系数k有关。在实际的分离装置中，m和n的最大值是固定的。当m为最大值时，实际的萃取单元处于分离装置最下方的一行。在这一行中有n个有机相出口，待分离物质在各个有机相出口中的浓度均不同，因为此时m为定值、对于某一物质而言k也为定值，其浓度只与n的值有关。类似地，当n为最大值时，实际的萃取单元处于分离装置最右方的一列，在这一列中有m个水相出口，待分离物质在各个水相出口中的浓度只与m的值有关。

在m、n为某一定值的分离装置中，若待分离物质含有两种物质A和B，其分配系数为k_A和k_B，则在装置的水相及有机相出口处，两种物质的浓度与k_A、k_B有关，同时与m或n有关。这两种物质能否被分离开，一方面取决于k_A、k_B的值，同时也与流动相出口的位置有关，水相出口位置由m值决定，有机相出口位置由n值决定。可以看出，本分离方法中决定流动相出口位置的m或n值与普通色谱法的保留时间t_R值的有相近的含意。

通过对浓度计算公式进行数学分析，可以得到如下结论：

1)对于k值一定的物质，总会存在一定的m、n值，能使待分离物质在两相出口处的浓度变化呈现一条近似正态分布的曲线；

2)当任意两种待分离物质的k值不同时，总会存在一定m、n值，使得两种物质的浓度曲线的最高峰处于不同的位置，从而使这两种物质得到分离。

Claims (5)

1、一种制备型连续进料错流萃取色谱分离***，其特征在于包括：

至少四台连续萃取器；由机体的进出口管路连接组成网络结构；

一个料液泵(P2)，用于输送待分离混合物至萃取器；

一个水相或重相泵(P3)，用于将水相流动相输送至萃取器；

一个有机相或轻相泵(P1)，用于将有机相流动相输送至萃取器；

一组有机相洗脱液接收器，用于将待分离混合物中亲油的组分收集于各个有机相洗脱液接收器中；

一组水相洗脱液接收器，用于将待分离混合物中亲水的组分收集于各个水相洗脱液接收器中；

其中各个出口中的物质组成及浓度均不相同，并按一定的规律流出，从而达到分离各种物质的目的；

所述的连续萃取器可以采用离心萃取器或膜萃取器，每个萃取单元有两个进口和两个出口；

所述的萃取器作为萃取单元它的组合方式为m行×n列，其中m、n为≥2的任意数；

所述的离心萃取器D(1，1)的重相出口与离心萃取器D(1，2)的重相入口相连接，离心萃取器D(1，1)的轻相出口与离心萃取器D(2，1)的轻相入口相连接；类似地，离心萃取器D(1，2)的重相出口与离心萃取器D(1，3)的重相入口相连接，离心萃取器D(1，2)的轻相出口与离心萃取器D(2，2)的轻相入口相连接；错流萃取色谱分离装置中所有离心萃取器均按此方式进行连接；

所述的料液泵(P2)将待分离混合物输送到离心萃取器D(1，1)，水相泵P3将水相流动相同时输送至离心萃取器D(2，1)、D(3，1)、直至D(m，1)，有机相泵(P1)将有机相流动相同时输送至离心萃取器D(1，1)、D(1，2)、D(1，3)、直至D(1，n)；待分离混合物中亲油的组分主要从有机相出口中流出并收集于各个有机相洗脱液接收器中；待分离混合物中亲水的组分主要从水相出口中流出并收集于各个水相洗脱液接收器中。

2、根据权利要求1所述的制备型连续进料错流萃取色谱分离***，其特征在于所述的有机相泵(P1)输送到离心萃取器的有机相流动相可以是低分子量的、与水相流动相不相溶的任何烃类或醇类或酸类或酯类有机溶剂，可以是纯溶剂，也可以是混合溶剂，其比重比水小。

3、根据权利要求1所述的制备型连续进料错流萃取色谱分离***，其特征在于所述的水相泵(P3)输送到离心萃取器的水相流动相可以是纯水，也可以是无机酸或碱或盐类水溶液。

4、根据权利要求1所述的制备型连续进料错流萃取色谱分离***，其特征在于所述的分离操作在0～100℃的温度、0～10bar的压力下进行，料液、水相流动相及有机相流动相的流速应根据离心萃取器的处理能力来确定，在0.001～10m³/小时的范围内。

5、根据权利要求1所述的制备型连续进料错流萃取色谱分离***，其特征在于所述的本***适合于分离各种金属离子、无机化合物、有机化合物及生物大分子。

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