CN103961902B - 从原料液中分离与浓缩目标组分的模拟移动床色谱分离***及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种从原料液中分离与浓缩目标组分的模拟移动床色谱分离***，其特征在于：该模拟移动床色谱分离***由II区和III区两个区组成，所述II区和III区的每一个区都由1根以上色谱柱串联构成；其中，II区位于洗脱液入口与进料口之间，III区位于进料口和萃余液出口之间；II区色谱柱内部流动相的洗脱能力强于III区色谱柱内部流动相的洗脱能力；目标组分在II区和III区的色谱柱内部积累而不流出，非目标组分则从III区萃余液出口流出。本发明具有结构简单、溶剂种类少，后处理方便，成本降低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用模拟移动床色谱从原料液中分离与浓缩目标组分的模拟移动床色谱分离***及其方法。
背景技术
色谱分离方法是常用的一种从混合物中分离目标组分的方法，在诸如药物分离、天然产物分离纯化等许多领域有着广泛应用。一般地，单纯的色谱分离工艺得到的只是产品溶液，故还需辅以回收操作，如蒸发或结晶等，才能从中得到纯的目标组分。显然，产品溶液浓度越高，则越有利于回收操作。
然而，由于存在传质阻力和轴向弥散等非理想因素，在大多数的色谱分离过程中，目标组分总是被稀释，其在产品溶液中的浓度要低于其在原料液中的浓度。回收操作负担因此而被加重，使得其在总分离成本中占有很大的比重。在某些分离工艺中，如天然产物分离纯化，因目标组分的含量很低，回收操作可能决定整个分离过程的成本。以从红豆杉树叶中提取和分离紫杉醇为例，由于紫杉醇含量很低，仅为万分之三左右，经溶剂浸提后也只能将含量提高到千分之三左右，此时如采用色谱分离，将浸膏配制成原料液，假设浓度为50mg/mL，则原料液中紫杉醇浓度仅约0.15mg/mL。因产品在获得分离纯化的同时往往伴随着产品溶液的稀释，色谱分离获得的产品溶液中紫杉醇浓度将远小于0.15mg/mL，从如此稀的溶液中回收紫杉醇成本很大，故先采取多个前处理操作，将紫杉醇富集到一定程度后再用色谱分离精制，这种方法并未从根本上解决问题，只是将回收操作的负担部分转移前处理操作中。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种结构简单、溶剂种类少，后处理方便，成本降低的从原料液中分离与浓缩目标组分的模拟移动床色谱分离***。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案是这样实现的：一种从原料液中分离与浓缩目标组分的模拟移动床色谱分离***，该模拟移动床色谱分离***由II区和III区两个区组成，所述II区和III区的每一个区都由1根以上色谱柱(包括一根)串联构成；其中，II区位于洗脱液入口与进料口之间，III区位于进料口和萃余液出口之间；II区色谱柱内部流动相的洗脱能力强于III区色谱柱内部流动相的洗脱能力；目标组分在II区和III区的色谱柱内部积累而不流出，非目标则从III区萃余液出口流出。
作为优选，为了使得II区色谱柱内部流动相的洗脱能力强于III区色谱柱内部流动相的洗脱能力，可以在II区洗脱液入口处设置加热装置并在III区进料口处设置冷却装置，以保证使流入II区的液体的温度高于流入III区的液体的温度，从而实现II区色谱柱内部流动相的洗脱能力强于III区色谱柱内部流动相的洗脱能力。
作为优选，为了使得II区色谱柱内部流动相的洗脱能力强于III区色谱柱内部流动相的洗脱能力，也可以采用流入II区的液体中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量高于流入III区的液体中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量的方法。
也可以同时采用在II区洗脱液入口处设置加热装置并在III区进料口处设置冷却装置和流入II区的液体中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量高于流入III区的液体中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量这两种方法，实现II区色谱柱内部流动相的洗脱能力强于III区色谱柱内部流动相的洗脱能力。
本发明还提供一种利用上述两区模拟移动床色谱分离***分离和浓缩目标组分的方法，具体步骤包括：
(1)先配制洗脱液1和洗脱液2，洗脱液2的洗脱能力强于洗脱液1的洗脱能力；将待分离的原料溶于洗脱液1中配制成原料液；将原料液从进料口、洗脱液2从洗脱液入口分别流入由II区和III区两个区组成的模拟移动床***，II区色谱柱内部流动相的洗脱能力强于III区色谱柱内部流动相的洗脱能力；
(2)每隔一定时间，进料口、洗脱液入口和萃余液出口的位置同时沿色谱柱内液相流动的方向切换至到对应的下一根色谱柱的进/出口(顺应需要断开和连接的色谱柱，通过分离***自动断开和连接，始终保证由II区和III区两个区组成，所述II区和III区的每一个区都由1根以上色谱柱串联构成；其中，II区位于洗脱液入口与进料口之间，III区位于进料口和萃余液出口之间)；II区色谱柱内部流动相的洗脱能力强于III区色谱柱内部流动相的洗脱能力；分离过程中，非目标组分从萃余液出口流出，而目标组分则积累在II区和III区内部而不流出***；据此，目标组分与非目标组分得以分离、并同时在II区和III区色谱柱内部逐步积累而得到浓缩。
本发明的技术原理基于存在于梯度模拟移动床色谱中的一种溶质积累效应。在常规模拟移动床中，每个区间内部流动相的洗脱能力相同，故强吸附组分在II区和III区内部被固相吸附，而弱吸附组分则在II区和III区内部被液相脱附，强吸附和弱吸附组分据此逆向移动而得以分离。即是说，任意一种分离组分，其在II区和III区内部要么被固相吸附，要么被液相脱附。而如果给模拟移动床施加一种梯度，如溶剂组成梯度和/或温度梯度，使II区内部流动相的洗脱能力强于III区内部流动相的洗脱能力，则对于某一个特定溶质(例如目标组分)，其存在如下可能：在II区内部被液相脱附，而在III区内部则被固相吸附。此时，该溶质将既不会从萃余液出口流出，亦不会从萃取液出口流出，而是积累在II区和III区之间的柱子内部。
本发明即是基于这一认识，通过如下三种措施来使II区内部流动相的洗脱能力强于III区内部流动相的洗脱能力：
(1)流入II区的液体中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量高于流入III区的液体中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量；
(2)洗脱液中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量高于流入原料液中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量。
(3)分别在II区入口处设置加热装置和III区入口处设置冷却装置，使流入II区的液体的温度高于流入III区的液体的温度。
再设定合适的II区和III区液相流速以及柱子切换时间，仅使目标组分在II区和III区积累，而非目标组分则不积累，故从唯一的物料出口----萃余液出口流出***。如此，目标组分与非目标组分实现分离，与此同时还逐步积累在II区和III区内部而被浓缩。
本发明的上述方法还包括最后目标组分的回收步骤，根据对目标产物纯度的要求，具体可采用如下两种方法来实现：
(1)因为溶质积累效应本质上还是基于固定相对溶质的吸附，故在目标组分在II区和III区内部逐步积累的过程中，II区和III区内部的色谱柱亦会逐渐饱和。一旦达到饱和(通过监测萃余液出口收集的液体，一旦液体中出现目标组分，即可判定饱和，即可停止进料)，应停止从进料口进原料液，否则目标组分将与非目标组分一同流出萃余液出口。此时，可停止模拟移动床操作，洗脱II区和III区内部色谱柱以回收目标组分。但在II区和III区的色谱柱内部除了积累的目标组分外，还有少量残留的非目标组分，因而在回收目标组分过程中的亦会同时得到少量非目标组分；
或
(2)为了回收得到高纯度的目标组分，对上述回收方法进行改进，即可待色谱柱饱和后，将溶解原料所用液体即洗脱液1代替原料液，即将溶解原料所用液体直接从原料液入口注入本发明的两区模拟移动床色谱分离***，而不是将原料液注入***，其余操作条件不变；此时，残留在II区和III区内部的非目标组分将继续流出***，从而使被积累在II区和III区的目标组分得以纯化；当残留的非目标组分全部流出***后(通过监测萃余液出口收集的液体，一旦液体中不含有非目标组分，即可判定残留的非目标组分已全部流出***)，再停止模拟移动床操作，并洗脱II区和III区内部色谱柱即可回收得到高纯度的目标组分。
本发明的优点和有益效果：本发明提供一种仅仅采用两区模拟移动床色谱从原料液中同步分离与浓缩目标组分的方法，能够在提高目标组分纯度的同时还能增加目标组分在产品溶液中的浓度，从而减轻从产品溶液中回收目标组分的负担。本发明两区模拟移动床色谱分离***，结构简单，操作方便，所需要的物料少、仅仅需要两种比例的流动相，且分离纯化后处理简单，降低了分离、纯化成本。
附图说明
图1为本发明提供的从原料液中分离与浓缩目标组分的模拟移动床色谱分离方法示意图。
图2为辣椒总碱的液相色谱分析谱图。
图3为实施例1所获得的高辣椒碱溶液的液相色谱分析谱图。
图4为实施例3所获得的辣椒碱溶液的液相色谱分析谱图。
具体实施方式
下面以从辣椒总碱中分别分离与浓缩降辣椒碱和高辣椒碱作为例子，详细说明本发明的技术方案。辣椒总碱原料购自郑州贝拜欧生物技术有限公司。如图2所示，在碳十八烷基键合硅胶柱上，辣椒总碱中各个单体的出峰顺序依次为降二氢辣椒碱、辣椒碱、二氢辣椒碱和高辣椒碱，其中辣椒碱和高辣椒碱含量依次为65％和1％。采用本发明提出从原料液中同步分离与浓缩目标组分的模拟移动色谱分离方法，从辣椒总碱溶液中分别分离与浓缩辣椒碱和高辣椒碱。本发明所述的每隔一定时间即色谱柱进出口切换时间根据具体的色谱柱和分离物质限定，2-20min切换一次。
1.模拟移动床色谱分离***
模拟移动床色谱***主要包括用于输送原料液和洗脱液的两台柱塞泵、8根装填有C18硅胶的色谱柱(内径1cm，长10cm)。用甲醇和水配制两个组成不同洗脱液，其中洗脱液1中甲醇体积百分含量60％，洗脱液2中甲醇体积百分含量80％，故洗脱液1的洗脱能力比洗脱液2的洗脱能力要弱。将辣椒总碱溶于洗脱液1中配制成原料液，总浓度10mg/mL。
2.成品检验
高效液相色谱分析产品纯度。高效液相色谱***组成：德国KnauerK501泵，美国AgilentTC-C18柱(4.6×150mm，5μm)，德国KnauerK2501检测器；液相色谱分析条件：流动相为甲醇/水(体积比70/30)，流速0.5mL/min，检测波长280nm，柱温:30℃。
实施例1—用模拟移动床色谱***从辣椒总碱中分离与浓缩高辣椒碱
II区和III区内部分别布置4根色谱柱。室温下操作。洗脱液2以3mL/min的流速从洗脱液入口流入***，原料液以2mL/min的流速从进料口流入***，则从萃余液出口流出***的萃余液流量为5mL/min。每隔5分钟，洗脱液、原料液与萃余液等三股物料的进/出口位置分别沿流动相方向切换至下一根柱子的进/出口。共运行608个切换周期，萃余液中有辣椒碱和二氢辣椒碱等，但不含高辣椒碱。从第609次切换周期开始，萃余液中开始出现高辣椒碱。故停止进料，将原料液更换成洗脱液1，其余操作条件不变，继续模拟移动床操作。萃余液中的辣椒碱和二氢辣椒碱含量逐渐降低，到第626次切换周期萃余液中已不含任何溶质。此时，停止模拟移动床操作，用甲醇依次洗脱8根色谱柱，发现高辣椒碱主要分布在II区第2、3和4根以及III区第1根这四根柱子内部，高辣椒碱产品溶液的色谱谱图如图3所示，其浓度20mg/mL，而原料液中高辣椒浓度仅为0.1mg/mL，故高辣椒碱在得到分离纯化的同时还被浓缩200倍。
实施例2—用模拟移动床色谱***从辣椒总碱中分离与浓缩高辣椒碱
II区和III区内部分别布置4根色谱柱。洗脱液2于40℃温度下以2.8mL/min的流速从洗脱液入口流入***，原料液则被冷却至10℃后以2.4mL/min的流速从进料口流入***，则从萃余液出口流出***的萃余液流量为5mL/min。每隔5分钟，洗脱液、原料液与萃余液等三股物料的进/出口位置分别沿流动相方向切换至下一根柱子的进/出口。共运行623个切换周期，萃余液中有辣椒碱和二氢辣椒碱等，但不含高辣椒碱。从第624次切换周期开始，萃余液中开始出现高辣椒碱。故停止进料，将原料液更换成洗脱液1，其余操作条件不变，继续模拟移动床操作。萃余液中的辣椒碱和二氢辣椒碱含量逐渐降低，到第645次切换周期萃余液中已不含任何溶质。此时，停止模拟移动床操作，用甲醇依次洗脱8根色谱柱，发现高辣椒碱分布在II区第2、3和4根以及III区第1根这四根柱子内部，高辣椒碱产品溶液浓度达24.5mg/mL，而原料液中高辣椒浓度仅为0.1mg/mL，故高辣椒碱在得到分离纯化的同时还被浓缩245倍。
实施例3—用模拟移动床色谱***从辣椒总碱中分离与浓缩辣椒碱
II区和III区内部分别布置4根色谱柱。洗脱液2以3mL/min的流速从洗脱液入口流入***，原料液以2mL/min的流速从进料口流入***，则从萃余液出口流出***的萃余液流量为5mL/min。每隔3分钟，洗脱液、原料液与萃余液等三股物料的进/出口位置分别沿流动相方向切换至下一根柱子的进/出口。共运行45个切换周期，萃余液中有二氢辣椒碱和高辣椒碱等，但不含辣椒碱。从第46次切换周期开始，萃余液中开始出现辣椒碱。故停止进料，将原料液更换成洗脱液1，其余操作条件不变，继续模拟移动床操作。萃余液中的二氢辣椒碱和高辣椒碱含量逐渐降低，到第63次切换周期萃余液中已不含任何溶质。此时，停止模拟移动床操作，用甲醇依次洗脱8根色谱柱，发现辣椒碱积累在II区第4根以及III区第1、2和3根这四根柱子内部，辣椒碱产品溶液的液相谱图如图4所示，其浓度50mg/mL，而原料液中辣椒浓度6.5mg/mL，故辣椒碱在得到分离纯化的同时还被浓缩约7.7倍。
以上实施例是对本发明的说明和进一步解释，而不是对本发明的限制，在本发明的精神和权利保护范围内所做的任何修改，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种从原料液中分离与浓缩目标组分的模拟移动床色谱分离***，其特征在于：该模拟移动床色谱分离***由II区和III区两个区组成，所述II区和III区的每一个区都由1根以上色谱柱串联构成；其中，II区位于洗脱液入口与进料口之间，III区位于进料口和萃余液出口之间；II区色谱柱内部流动相的洗脱能力强于III区色谱柱内部流动相的洗脱能力；目标组分在II区和III区的色谱柱内部积累而不流出，非目标组分则从III区萃余液出口流出。
2.根据权利要求1所述的从原料液中分离与浓缩目标组分的模拟移动床色谱分离***，其特征在于：所述的II区洗脱液入口处设置加热装置并在III区进料口处设置冷却装置。
3.根据权利要求1所述的从原料液中分离与浓缩目标组分的模拟移动床色谱分离***，其特征在于：所述II区色谱柱内部流动相中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量高于流入III区的液体中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量。
4.根据权利要求1所述的从原料液中分离与浓缩目标组分的模拟移动床色谱分离***，其特征在于：所述的II区洗脱液入口处设置加热装置并在III区进料口处设置冷却装置和流入II区的液体中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量高于流入III区的液体中具有强洗脱能力的溶剂的体积百分含量。
5.一种利用模拟移动床色谱分离***分离和浓缩目标组分的方法，其特征在于：具体步骤包括：
（1）先配制洗脱液1和洗脱液2，洗脱液2的洗脱能力强于洗脱液1的洗脱能力；将待分离的原料溶于洗脱液1中配制成原料液；将原料液从进料口、洗脱液2从洗脱液入口分别流入由II区和III区两个区组成的模拟移动床***，II区色谱柱内部流动相的洗脱能力强于III区色谱柱内部流动相的洗脱能力；
（2）每隔一定时间，进料口、洗脱液入口和萃余液出口的位置同时沿色谱柱内液相流动的方向切换至到对应的下一根色谱柱的进/出口；II区色谱柱内部流动相的洗脱能力强于III区色谱柱内部流动相的洗脱能力；分离过程中，非目标组分从萃余液出口流出，而目标组分则积累在II区和III区内部而不流出***；据此，目标组分与非目标组分得以分离、并同时在II区和III区色谱柱内部逐步积累而得到浓缩。
6.根据权利要求5所述的利用模拟移动床色谱分离***分离和浓缩目标组分的方法，其特征在于：该方法还包括最后目标组分的回收步骤，根据对目标产物纯度的要求，具体采用如下两种方法来实现：
在目标组分在II区和III区内部逐步积累的过程中，II区和III区内部的色谱柱亦会逐渐饱和；一旦达到饱和，即停止从进料口进原料液，否则目标组分将与非目标组分一同流出萃余液出口；此时，停止模拟移动床操作，洗脱II区和III区内部色谱柱以回收目标组分；
或
（2）待色谱柱饱和后，用洗脱液1代替原料液，即将溶解原料所用的液体从原料液入口注入两区模拟移动床色谱分离***，而不是将原料液注入***，其余操作条件不变；此时，残留在II区和III区内部的非目标组分将继续流出***，从而使积累在II区和III区的目标组分得以纯化；当残留的非目标组分全部流出***后，再停止模拟移动床操作，并洗脱II区和III区内部色谱柱即回收得到高纯度的目标组分。
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