CN106596761B - 用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法 - Google Patents
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Abstract
本专利公开了一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，属于色谱技术领域。该方法首先确定在SMB分离体系中目标物的干扰组分，并赋予干扰组分浓度，然后建立单柱理想色谱模型，通过逆法获得SMB分离单元的目标物和干扰组分的吸附等温线，更接近色谱过程动态特性，并由此获得快组分A、慢组分B的表观吸附系数，控制SMB的II带和III带相对流率比mα在快组分A、慢组分B的表观吸附系数形成的三角形区域内，能够优化非线性SMB分离目标组分和干扰组分的操作参数。
Description
技术领域
本发明涉及色谱技术领域，尤其涉及一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法。
背景技术
模拟移动床(SMB)色谱技术具有连续、自动、高效的特点，成为石油化工、精细化工和制药(尤其是手性药物拆分和生物产品分离)等领域高端分离技术。一般地说，SMB的操作变量包括：切换周期、进样液组成与浓度、流动相循环流量、流动相入口流量、萃取液流量、进样液流量和残余液流量；SMB考察性能指标包括：产品纯度、回收率、产率、流动相消耗量和固定相使用量。为实现生产效率的最大化，对SMB分离过程的操作条件参数优化是十分必要的。
三角形法因简易直观，能够得到初始的设计参数，是选择SMB分离条件的依据[LeeJ W，Wankat P C.J.Chromatography A，2010，1217：3418-3426]。三角形法是按照理想线性情形的保留时间法，对于二组分体系，分离条件用无量纲流量比(流动相与固定相流速比)mα表示，表述的形式为：GA≤mI；GB＜mII≤GA；GB≤mIII≤GA；mIV≤GB，α代表区带，GA，GB为慢组分A和快组分B的吸附系数，在mII-mIII平面坐标形成100％分离三角形区域[Mazzotti M，Storti G，Morbidelli M.J.Chromatogrphy.A，1997，769：3-24]。实际操作中使用三角形方法必须进行修正。Jensen[Jensen T B，Reijns T G P，Billiet H A H，etal.J.Chromatography A，2000，873(2)：149-162]考察了传质阻力对可分离区间的影响，Mazzotti等[Mazzotti M，Storti G.，Morbidelli M.AICHE J.，1994，40：1825-1842]用Langmuir吸附等温线、Gentilini等[Gentilini A，Migliorini C，Mazzotti M，etal.J.Chromatography A，1998，805：37-44]用Bi-Langmuir吸附等温线对可分离区间进行校正，校正后分离区间缩小[林炳昌.模拟移动床色谱技术.化学工业出版社，北京：2008]。当分离复杂混合物时，传质系数、扩散系数和吸附等温线都难以准确测定，遇到未知组分时，这些参数无法得到，也就无法获得被分离组分的三角形区域，此时的优化过程建立在大量的实验基础上。
发明内容
本发明的目的是针对现有SMB色谱进行复杂混合物分离时优化技术的不足，提供一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，包括以下步骤：
1、配制复杂混合物的进样液，复杂混合物含有3种以上组分，测定其中目标物的浓度；
2、用模拟移动床色谱所采用的色谱单柱确定在模拟移动床色谱分离体系所用固定相和流动相中目标物的干扰组分，并赋予干扰组分的浓度；
3、逆法确定色谱单柱的目标物和干扰组分的吸附等温线参数：
①用进样液采集2～5条目标物及其干扰组分的模拟移动床所用色谱单柱的实际流出曲线数据；
②选择单一组分的吸附等温线分别描述目标物和干扰组分的吸附行为；
③选择色谱模型分别描述目标物和干扰组分的色谱行为；
④用差分法求解目标物和干扰组分的单柱色谱模型，分别得到目标物和干扰组分单柱的计算流出曲线；
⑤设定目标物的吸附等温线参数和单柱色谱模型计算参数的初始值，通过调整吸附等温线参数和计算参数反复求解单柱色谱模型获得计算流出曲线，使目标物的计算流出曲线与实际流出曲线有很好的吻合度，由此确定目标物的吸附等温线参数和单柱色谱模型的计算参数，用同样的方式确定干扰组分的吸附等温线参数和单柱色谱模型的计算参数；
其中，单柱模型计算参数包括时间步长τ和空间步长h；
4、根据吸附等温线qi＝f(Ci)获得表观吸附系数，表观吸附系数G′i定义为G′A为目标物和干扰组分两者中的吸附能力较大的组分即慢组分A的表观吸附系数，G′B为目标物和干扰组分两者中的吸附能力较小的组分即快组分B的表观吸附系数；SMB各个区带的相对流率比用mα表示，式中，V为固定相体积，Qα为流动相的体积流速，ε为孔隙率，α代表区带，α＝I，II，III，IV，...；选择SMB分离的操作条件为：控制SMB的II带和III带相对流率比mα在快组分A、慢组分B的表观吸附系数之间，即G′B≤mII≤G′Ａ，G′B≤mIII≤G′Ａ，在mII-mIII平面坐标形成可以分离目标组分和干扰组分的三角形区域；优化操作条件参数，使mα落在三角形区域内；所述的参数包括进料浓度、SMB各带流速、进样时间、切换时间；
其中，有进样液流入的结点为F结点，F结点前为II带，F结点后为III带；
5、用优化的操作条件进行SMB分离。
所述的一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，所述干扰组分结构未知，其浓度无法测定时，假定干扰组分浓度。
所述的一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，所述单柱色谱模型为理想色谱模型
所述的一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，所述理想色谱模型的差分求解过程如下：
qi＝f(Ci) (2)
式(1)为理想色谱模型，式(2)为吸附等温线，其中i代表组分i，i＝1为目标物，i＝2为干扰组分，ci，qi分别为组分在流动相与固定相的浓度，u为流动相的流速，F为相比，F＝(1-ε)/ε，ε为孔隙率；t代表时间，x代表位置：
将式(1)写成
(3)式中，
再将式(3)中项向后差分，项向前差分，建立显式差分格式：式中，τ为时间步长，h为空间步长(塔板高度)，j表示当前的塔板，j＝1，2，…，L/h，n代表时间，n＝kτ，k＝1，2，3…，显式差分格式稳定性条件：
或者将式(3)中项和项都向后差分，建立隐式差分格式：
上述两种差分格式边界条件：Ci，F为进料液中组分i的浓度，tp为进料时间；
通过对上述显式差分格式或者隐式差分格式迭代求解，获得组分i单柱流出曲线Ci(L，t)-t，L为色谱柱长。
所述的一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，所述复杂混合物的进样液按SMB体系的流动相的配比配制。
所述的一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，所述的采集所用色谱单柱的实际流出曲线数据为，分别采集单柱线性条件下目标物及其干扰组分的色谱单柱的流出曲线数据，以及采集单柱过载条件下目标物及其干扰组分的色谱单柱的流出曲线数据。
所述的一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，所述的使目标物的计算流出曲线与实际流出曲线有很好的吻合度的方法为，利用色谱模型计算色谱流出曲线，并和实际测定的曲线进行比较，按下式计算两者误差平方和：式中，是实验测定值，是模型计算值；利用最优化方法选取最优参数值，使目标函数Fun最小，即为计算流出曲线与实际流出曲线有很好的吻合度；
所述的一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，当所述的SMB为连续循环的四带SMB，设定mI＞G′Ａ以洗脱慢组分A，设定mIV＜G′B以阻止快组分进入I带。
本三角形优化法以目标物的提纯指标为约束条件，以生产效率或者收率为目标函数；被分离的混合液是复杂物质的混合液，至少为3组分，假定混合液仅含目标组分1和干扰组分2，用模拟移动床色谱所采用的色谱单柱分离时，干扰组分2流出曲线与目标组分1流出曲线相邻，干扰组分2是所有杂质中严重干扰目标组分1分离的杂质；
目标物作为慢组分，则：目标物纯度目标物收率目标物作为快组分，则： 式中，及分别为萃取液中目标组分1和干扰组分2的浓度，及分别为萃余液中目标组分1和干扰组分2的浓度，QE/F/R为各口流速。
本发明的有益效果是：
1、本发明的三角形优化法以色谱质量守恒方程的子波特征速度为依据，以SMB稳态机制为基础，为非线性二元分离提供优化方法。
2、本发明的通过逆法确定SMB分离单元的目标物和干扰组分的吸附等温线，更接近色谱过程动态特性，表观吸附系数更准确给出优化区域。
3、化简SMB优化过程
本发明通过在复杂混合物SMB色谱分离的体系中，仅对目标物和干扰组分用单组分理想色谱模型建模求解并确定目标物和干扰组分的吸附等温线参数，色谱分离过程的吸附、脱附、传质、扩散、竞争均通过逆法求解得到的单组份吸附等温线的参数和理想色谱模型算法的参数来体现，用最简单的但却是最主要的形式处理最为复杂的而且是无法解决的建模问题。在现有的复杂色谱体系中，即使所有组分已知，传质系数、扩散系数、竞争关系也无法准确确定，也就无法得到准确优化区域。
4、指导复杂混合物SMB色谱分离实践
当复杂混合物进样液中目标物的干扰组分结构未知，其浓度无法测定时，本发明假定干扰组分浓度，由此通过逆法获得假定的吸附等温线并建立假定的理想色谱模型，可以粗略预测干扰组分的色谱行为。对于未知杂质，虽然没有相应的标准物质，由实验测得的未知杂质流出曲线无法用浓度和时间表示，只用响应信号和时间表示，但是该流出曲线能反映出与各组分的分离情况，当赋予未知杂质假定浓度后，其色谱峰峰底宽度和峰高位置依然准确，仍然能反映出与其它组分的分离程度，可以建模粗略描述其色谱行为，由此获得的干扰组分吸附等温线也就可以粗略描述其色谱分离过程的吸附行为。
具体的说，在利用本发明的优化方法以SMB分离甜叶菊中莱鲍迪A苷时，选择由条件吸附系数确定的三角形区域内的实验点进行实验，按目标组分1和干扰组分2考虑，分离结果是：莱鲍迪A苷的收率约为90％，纯度约为96％，按全组分考虑，分离结果是：莱鲍迪A苷的收率约为90％，纯度约为63％。
5、本发明的方法省时、省力、省原料和流动相。
附图说明
图1是实施例中进样液HPLC谱图；
图2是实施例中色谱单柱的实际流出曲线(实线)与模拟流出曲线(虚线)；
其中，(a)色谱单柱条件1，(b)色谱单柱条件2，(c)色谱单柱条件3；
图3是实施例中SMB操作条件1在三角形优化区间的位置；
图4是实施例中SMB操作条件2在三角形优化区间的位置；
图5是实施例中SMB操作条件3在三角形优化区间的位置；
图6是实施例中SMB操作条件1的萃取液E的HPLC谱图；
图7是实施例中SMB操作条件1的萃余液R的HPLC谱图；
图8是实施例中SMB操作条件4在三角形优化区间的位置；
图9是实施例中SMB操作条件4的萃取液E的HPLC谱图；
图10是实施例中SMB操作条件4的萃余液R的HPLC谱图；
其中，图1、图2、图6、图7、图9与图10中的前杂质即为干扰组分，ST为甜菊苷(也是一种糖)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例
一种用SMB色谱从甜叶菊萃取液中分离莱鲍迪苷A(RA)的三角形优化方法。
所用SMB色谱体系：工作模式：1-1-2，I带独立；4根色谱柱，色谱柱规格为D×L＝10mm×100mm；固定相：C18，40～60μm；流动相：乙醇-水，配比1∶1；色谱分离温度：室温。
HPLC检测条件：分析柱：4.6mm×250mm(C18，5μm，Agilent，U.S.A.)，流动相：色谱乙腈与pH＝2.6的磷酸二氢钠缓冲液配比为32/68(v/v)，流速1.0ml/min，测定波长213nm，测定温度30℃。
优化方法包括以下步骤：
(1)按SMB色谱的流动相乙醇与水的配比配制进样液，用HPLC测定进样液中RA的浓度C1，F，HPLC谱图(图1)显示RA纯度42.4％；
(2)通过SMB所用色谱单柱的流出曲线，确定进样液在该SMB色谱体系中与目标物RA相邻的干扰组分，用HPLC测得的进样液中干扰组分检测信号与目标物检测信号的比值K再与目标物浓度C1，F的乘积，赋予干扰组分的浓度，该干扰组分浓度为假定浓度，C2，F＝KC1，F，这里，K＝0.5；
(3)逆法确定目标物和干扰组分的吸附等温线参数：
①测定色谱单柱的实际流出曲线
色谱条件1(线性条件下)：
进样液中RA的浓度C1，F＝20mg/ml
流速Q：2ml/min
进样时间：0.5min
离线HPLC检测，获得线性条件下实际流出曲线见图2(a)的实线；
色谱条件2(过载条件下)：
进样液中RA的浓度C1，F＝20mg/ml
流速Q：2ml/min
进样时间：2min
离线HPLC检测，获得过载条件下的实际流出曲线见图2(b)的实线；
色谱条件3(过载条件下)：
进样液中RA的浓度C1，F＝20mg/ml
流速Q：2ml/min
进样时间：3min
离线HPLC检测，获得过载条件下的实际流出曲线见图2(c)的实线；
②选择Langmuir吸附等温线描述RA和前干扰组分的吸附行为；
③用理想色谱模型方程(1)分别描述RA和干扰组分的色谱行为；
④用显示差分法将理想色谱模型表示为：式中，i＝1为RA，i＝2为前干扰组分，τ为时间步长，h为空间步长，j表示当前的塔板，n代表时间，n＝kτ，k＝1，2，3...，边界条件：Ci，F为进料液中组分i的浓度，tp为进料时间；用VB软件编程对理想色谱模型的差分格式迭代求解，获得组分i流出曲线Ci(L，t)-t；
⑤确定RA的吸附等温线参数G1、b1和色谱模型的计算参数τ1、h1；干扰组分的吸附等温线参数G2、b2和色谱模型的计算参数τ2、h2；
根据线性色谱条件1下获得的实际流出曲线(图2(a))和公式tRi＝t0(1+FGi)，式中，tRi为保留时间，t0为死时间，F为相比，获得吸附系数Gi，RA的吸附参数G1＝4.45，其前干扰组分G2＝0.4；
根据在进样量过载的非线性条件2、3获得的实际流出曲线(图2(b)和图2(c))，测定吸附系数bi，并确定h和τ；
首先为参数赋初值，利用色谱模型计算色谱流出曲线，并和实际测定的曲线进行比较，按下式计算两者误差平方和：式中，是实验测定值，是模型计算值；利用最优化方法选取最优参数值，使目标函数Fun最小；由此求得丹参酮II A的b1＝0.025，前干扰组分b2＝0，h1＝h2＝0.05，τ1＝τ2＝0.5，获得色谱条件1～3下的RA和前干扰组分流出曲线Ci(L，t)-t，见图2(a)、(b)和(c)的虚线；理想色谱模型模拟结果与实验取得了较好的吻合性；
(4)根据吸附等温线和q2＝f(C2)＝0.4C2获得表观吸附系数和G′2＝0.4；选择SMB分离的操作条件为：II带和III带相对流率比mα落在由和在mII-mIII平面坐标形成的三角形区域内，即：操作条件参数的选择满足：和
优化出如下三组操作条件参数，其mα落在三角形区域内，分别见图3-图5中A点、B点和C点。
SMB操作条件1： P泵流速：0.828ml/min
D泵流速：0.828ml/min
F泵流速：0.1ml/min
切换时间：17min
进样液中RA的浓度Cl，F＝10mg/ml；
SMB操作条件2： P泵流速：0.7ml/min
D泵流速：0.7ml/min
F泵流速：0.1ml/min
切换时间：19.5min
进样液中RA的浓度C1，F＝10mg/ml；
SMB操作条件3： P泵流速：0.6ml/min
D泵流速：0.6ml/min
F泵流速：0.2ml/min
切换时间：19.5min
进样液中RA的浓度C1，F＝10mg/ml；
(5)用优化的操作条件进行SMB分离。
SMB操作条件1的分离结果是：产品RA的收率为90.31％，按两组分考虑纯度为98.10％，按全部组分考虑纯度为63.39％；萃取液E和萃余液R的HPLC色谱图见图6和图7。
SMB操作条件2的分离结果是：产品RA的收率为91.12％，按两组分考虑纯度为96.25％，按全部组分考虑纯度为62.80％。
SMB操作条件3的分离结果是：产品RA的收率为91.82％，按两组分考虑纯度为98.30％，按全部组分考虑纯度为64.90％。
然而当mα没有落在三角形区域内时，如SMB操作条件4：当P泵流速：0.7ml/min，D泵流速：0.7ml/min，F泵流速：0.2ml/min，切换时间：19.5min，进样液中RA的浓度：10.4mg/ml，操作点D位于三角形之外，见图8，尽管位于理想情景的三角形△Wab(由0.4＜mIII＜4.45，0.4＜mII＜4.45形成三角形区域)之内，SMB分离结果(萃取液E和萃余液R的HPLC色谱图见图9和10)表明：RA与前干扰组分不能很好分离；
在上述SMB操作条件1-4中，
Claims (4)
1.一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配制复杂混合物的进样液，复杂混合物含有3种以上组分，并测定其中目标物的浓度；
(2)用模拟移动床色谱所采用的色谱单柱确定在模拟移动床色谱分离体系所用固定相和流动相中目标物的干扰组分，并赋予干扰组分的浓度；
(3)逆法确定色谱单柱的目标物和干扰组分的吸附等温线参数：
①用进样液采集2～5条目标物及其干扰组分的模拟移动床所用色谱单柱的实际流出曲线数据；所述的采集所用色谱单柱的实际流出曲线数据为，分别采集单柱线性条件下目标物及其干扰组分的色谱单柱的流出曲线数据，以及采集单柱非线性条件下目标物及其干扰组分的色谱单柱的流出曲线数据；
②选择单一组分的吸附等温线分别描述目标物和干扰组分的吸附行为；
③选择色谱模型分别描述目标物和干扰组分的色谱行为；所述色谱模型为理想色谱模型；
④用差分法求解目标物和干扰组分的单柱色谱模型，分别得到目标物和干扰组分单柱的计算流出曲线；
所述理想色谱模型的差分求解过程如下：
qi＝f(Ci) (2)
式(1)为理想色谱模型，式(2)为吸附等温线，其中i代表组分i，i＝1为目标物，i＝2为干扰组分，ci,qi分别为组分在流动相与固定相的浓度，u为流动相的流速，F为相比，F＝(1-ε)/ε，ε为孔隙率；t代表时间，x代表位置；
进而，将式(1)写成
式中，
再将式(3)中项向后差分，项向前差分，建立显式差分格式：式中，τ为时间步长，h为空间步长(塔板高度)，j表示当前的塔板，j＝1,2,Λ,L/h，n代表时间，n＝kτ，k＝1,2,3...，显式差分格式稳定性条件：
或者将式(3)中项和项都向后差分，建立隐式差分格式：
上述两种差分格式边界条件：Ci,F为进料液中组分i的浓度，tp为进料时间；
通过对上述显式差分格式或者隐式差分格式迭代求解，获得组分i单柱流出曲线Ci(L,t)-t，L为色谱柱长；
⑤设定目标物的吸附等温线参数和单柱色谱模型计算参数的初始值，通过调整吸附等温线参数和计算参数求解单柱色谱模型获得计算流出曲线，使目标物的计算流出曲线与实际流出曲线相吻合，由此确定目标物的吸附等温线参数和单柱色谱模型计算参数；用同样的方式确定干扰组分的吸附等温线参数和单柱色谱模型计算参数；
(4)根据吸附等温线qi＝f(Ci)获得表观吸附系数，表观吸附系数G′i定义为G′A为目标物和干扰组分两者中的吸附能力较大的组分即慢组分A的表观吸附系数，G′B为目标物和干扰组分两者中的吸附能力较小的组分即快组分B的表观吸附系数；SMB各个区带的相对流率比用mα表示，式中，V为固定相体积，Qα为流动相的体积流速，ε为孔隙率，α代表区带，α＝I,II,III,IV,K；选择SMB分离的操作条件为：控制SMB的II带和III带相对流率比mα在快组分A、慢组分B的表观吸附系数之间，即G′B≤mII≤G′A，G′B≤mIII≤G′A，在mII–mIII平面坐标形成可以分离目标组分和干扰组分的三角形区域；
优化操作条件参数，使mα落在三角形区域内；所述的参数包括进料浓度、SMB各带流速、进样时间、切换时间；
(5)用优化的操作条件进行SMB分离。
2.根据权利要求1所述的一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，其特征在于，所述干扰组分结构未知，其浓度无法测定时，所述赋予干扰组分的浓度为假定干扰组分浓度。
3.根据权利要求1所述的一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，其特征在于，所述的复杂混合物的进样液按SMB体系的流动相的配比配制。
4.根据权利要求1所述的一种用模拟移动床色谱分离复杂物中目标物的三角形优化方法，其特征在于，当所述的SMB为连续循环的四带SMB时，设定mI＞G′A以洗脱慢组分A，设定mIV＜G′B以阻止快组分进入I带。
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