CN115058545B - 一种在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离提取低聚木糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离提取低聚木糖的方法。所述方法包括如下步骤：(1)粗制低聚木糖水解液经过滤除去固形物及胶体，用粉末活性炭联合离子交换树脂除去低聚木糖水解液中的色泽物及无机离子，后蒸发浓缩得到原料；(2)将步骤(1)得到的原料通过进料管线通入在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱***，经过在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离，制取低聚木糖、木糖和杂糖；所述在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱包括1～7号色谱柱，分为分离区和在线解耦反洗区。本发明通过多柱间歇模拟移动床和色谱柱反洗的在线耦合，能高效地从低聚木糖水解液中分离低聚木糖和木糖，并回收杂糖。

Description

一种在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离提取低聚木糖的 方法

技术领域

本发明属于生化分离技术领域，特别涉及一种在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离提取低聚木糖的方法。

背景技术

低聚木糖又称木寡糖，由2～7个木糖分子以β1,4糖苷键结合而成的功能性聚合糖类，相对分子质量为300～1100。低聚木糖是一种低热量糖混合物，能调节消化道微生态平衡、增强机体免疫功能、促进营养物质的吸收，有防龋齿、防治糖尿病、调节肠道菌落结构、抗氧化等的生理功效。近年来，低聚木糖的应用已经延伸到了食品、生物技术、农业、畜牧业、医疗保健、制药、精细化工、卫生等领域。

低聚木糖组分中，木二糖在双歧杆菌增殖中具有最高的益生元活性，是目前发现的最强的双歧因子，在食品和医药领域有很好的应用。低聚木糖中木二糖和木三糖含量越高，低聚木糖的质量越好；木四糖与木五糖的生理功效比木二糖木三糖要弱。六个及以上以β1,4糖苷键结合的功能性聚合木糖的生理功效与木二糖～木五糖相比更弱。此外，构成低聚木糖的基本糖单元即木糖也具有一定的膳食纤维生理功效，在食品、发酵、制药、医疗保健、日用化工、石化、等领域都有广泛的应用。

富半纤维素的农林废弃物经过稀酸水解可以直接得到粗制低聚木糖水解液，或者经碱处理得到半纤维素再经过稀酸水解或酶解得到粗制低聚木糖水解液，随后经脱色除杂、浓缩得到浓度较高的精制低聚木糖水解液，即原料。低聚木糖水解液一般含有低聚木糖、木糖及少量杂糖，根据原料及工艺不同，组分含量略有差别，按质量分数计算，原料中低聚木糖含40％～70％(低聚木糖中木二糖～木五糖含70％～85％，木六糖及以上含15％～30％)、木糖含20％～50％、杂糖含10％～20％。在低聚木糖生产中，只有高纯度达到一定级别后才能体现商业价值，因此分离纯化低聚木糖水解液是生产低聚木糖过程中极为重要的步骤。

到目前为止，分离低聚木糖水解液木二糖～木四糖主要有膜分离、色谱分离等技术方法。分离膜是一种特殊性质的薄层聚合物，能使液体中的一种或几种物质选择性透过的功能，起到浓缩和分离纯化的作用，按照膜孔径大小分为反渗透、超滤、纳滤和微滤。专利(CN1556110A)以玉米芯为原料经过稀酸处理、蒸煮和酶解后得到低聚木糖酶解液，精制后利用超滤和纳滤技术去除酶解液中的大分子物质和小分子单糖，得到含量90％的低聚木糖糖浆。张茜等人(2013中国生物发酵产业年会论文集,2013:260-264)中选用截留分子量为30kDa和150kDa的管式超滤膜对低聚木糖液进行除杂和脱色，得到了较好的效果。丁胜华等人(食品研究与开发,2010,31(4):23-27)采用分子量为3000U的中空纤维超滤膜进行低聚木糖提取液的浓缩，浓缩液用清水洗反复超滤除去残余碱后获得木聚糖，经酶解后得到产量达31.13g/L，平均聚合度为2.64的低聚木糖。膜分离低聚木糖具有工艺简单和设备投资少等特点，然而膜在压力下不可避免的会出现被栓塞或被污染情况，需要定期舒塞和清理检查，增加了后期运营成本，也容易引起二次污染。

色谱分离方法能有效的避免膜分离时出现的问题。分析级色谱分离多应用于低聚木糖组成和含量的测定。专利(CN102288688A)采用CarboPacTMPA200(3×250mm)色谱柱，通过醋酸钠和氢氧化钠二元梯度洗脱实现了木糖至木八糖类糖组分的快速高效定性分析和精确定量检测。甄振鹏等人(食品研究与开发，2020,41(19):157-161)用AltusUPLC BEHAmide(1.7μm，2.1mm×100mm)柱，以乙腈-氨水溶液为流动相分离测定酸奶中木糖和低聚木糖(木二糖～木六糖)的含量。范丽等人(色谱,2011,29(1):75-78)采用了CarboPacA200阴离子交换柱(3mm×250mm)，以醋酸钠和氢氧化钠为淋洗液进行二元梯度洗脱后利用脉冲安培法进行低聚木糖样品中木二糖至木六糖的检测。上述专利只适合于实验室及工业上的少量低聚木糖的定性或定量分析，不能规模化分离低聚木糖。

制备色谱分离低聚木糖主要是工艺开发和过程优化或改进。利用传统或顺序式的模拟移动床色谱分离提取目标糖组分，回收剩余的糖组分。传统模拟移动床的***结构对称，同步切换，适合两组分的分离，但是***运行实际压力偏高。顺序式模拟移动床采用了间歇进料、间歇出料的模式，将单次切换过程分为2～3个子步骤，间歇性的操作模式降低了能耗和溶剂消耗，***运行实际压力较低，但是顺序式模拟移动还仅限于两组的分离。

专利(CN101928305)公布了四区模拟移动床色谱分离从低聚木糖母液或低聚木糖水解液提取低聚木糖的方法，设吸附区、精馏区、解析区和缓冲区，采用阳离子交换树脂为吸附介质，通过旋转阀的步进，定期切换吸附柱各进出料阀门，实现每个区的切换与低聚木糖的分离。专利(CN113209670A)将顺序模拟移动床与结晶过程耦合，所述色谱柱的固定相为DOWEX MONOSPHERETM99/310钾型阳离子交换树脂，顺序式模拟移动床的色谱柱分离组件包括重组分保留区、第一轻重组分分割区、轻组分保留和第二轻重组分分割区，结晶装置以顺序式模拟移动床流出液为原料，利用结晶装置实现了低聚木糖的二次分离，得到纯度较高的低聚木糖。孟娜等人(食品工业科技,2011(10):310-313)采用为四区十二柱传统模拟移动床装置，以DIAION-UBK530钠型阳离子交换树脂作为固定相，高纯水作为流动相，分离预处理后的低聚木糖溶液，分离后的低聚木糖和单糖纯度均在90％以上，收率分别达到了91％和92％。然而上述专利或者存在同步切换分离区域，或者无法实现色谱柱的单柱切换，或者运行一定周期后需要停止整个***后才能清洗色谱柱，还存在生产效率降低、减少设备使用寿命、运行压力较高等问题。

综上，膜分离低聚木糖存在分离精度低和膜栓塞或被污染的情况。传统模拟移动床能分离低聚木糖水解液中的低聚木糖，但是分离时不能同时反洗色谱柱，运行压力大。顺序模拟移动床能有效地分离低聚木糖，但是不能同时回收低聚木糖水解液中的其它糖组分。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种在线解耦多柱间歇模拟移动床分离提取低聚木糖的方法。本发明通过多柱间歇模拟移动床和色谱柱反洗的二者在线耦合，能高效地从低聚木糖水解液中分离低聚木糖和木糖，并回收杂糖。

本发明的技术方案如下：

一种在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离提取低聚木糖的方法，包括如下步骤：

(1)低聚木糖水解液预处理：粗制低聚木糖水解液经过滤除去固形物及胶体，用粉末活性炭联合离子交换树脂除去低聚木糖水解液中的色泽物及无机离子，得到透光率＞70％的糖溶液，蒸发浓缩，控制温度在65～80℃，将糖溶液浓缩至质量浓度为45％～60％，得精制低聚木糖水解液，即原料；

(2)在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离：将步骤(1)得到的原料通过进料管线通入在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱***，经过在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离，制取低聚木糖、木糖和杂糖；

所述在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱是以钙型阳离子交换树脂为固定相，以水为洗脱剂，运行温度为60～80℃；

所述固定相为钙型强酸阳离子交换树脂，交联水平4％～10％，树脂粒径为0.22～0.35mm；

所述洗脱剂通过进水管线进入色谱***；

所述在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱包括1～7号色谱柱，分为分离区和在线解耦反洗区；

所述在线解耦反洗区包括1根色谱柱；所述分离区包括6根色谱柱；

所述在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱***首次运行时，分离区包括依次串联的1号色谱柱、2号色谱柱、3号色谱柱、4号色谱柱、5号色谱柱和6号色谱柱；所述分离区在工作中包括中的1～6根中的1～6根；所述在线解耦反洗区包括1根7号色谱柱。

进一步地，所述色谱柱的高度为2m，设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器；色谱柱内装填有支撑层，所述支撑层由粒径为4～8mm、2～4mm和1～2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成；所述支撑层上设置树脂层。

进一步地，所述色谱柱用循环水夹套保温，温度为60～80℃。

进一步地，步骤(1)中，所述粗制低聚木糖水解液是农林废弃物中半纤维素酸性水解的产物；所述精制低聚木糖水解液(原料)的总糖折光浓度为20％～30％，其中，按质量百分数计，含如下组分：低聚木糖40％～70％、木糖20％～40％、杂糖10％～20％；

进一步地，所述低聚木糖中，含如下质量百分数的组分：低聚木糖中木二糖～木五糖70％～85％，木六糖及以上15％～30％。

进一步地，所述分离区和在线解耦反洗区的每根色谱柱前后均设有一个阀组，所述阀组包括进水阀、进料阀、出低聚木糖阀、出木糖阀、出杂糖阀、循环阀、超越管阀、手动取样阀和反洗阀；所述阀组中指定阀的开启或关闭是通过程序控制，进而实现进料、进水和出糖组分，以及固定相模拟移动和反洗***的启闭。

进一步地，所述分离区的相邻色谱柱间通过管线依次串联，间隔两根色谱柱之间通过超越管连接；所述在线解耦反洗区的色谱柱嵌于分离区中，通过管线与分离区的色谱柱串联；所述分离区及在线解耦反洗区的每根色谱柱前后均设有一台循环泵；所述进料管线及进水管线上均设有输送泵、流量计。

进一步地，所述在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离制取低聚木糖、木糖和杂糖的每个周期内有五个子步骤，即子步骤一、子步骤二、子步骤三、子步骤四和子步骤五，子步骤运行完毕后，各进出料位置沿液体流动方向均前移一根色谱柱，完成进出料阀运行循环后恢复至进出料的初始位置。

进一步地，所述五个子步骤具体为：

子步骤一：1号色谱柱前的进料阀打开注入原料，2号色谱柱末低聚木糖出口阀打开流出弱保留组分低聚木糖；同时，启动7号色谱柱柱前、柱后的反洗阀，反洗7号色谱柱；

子步骤二：子步骤一运行结束后，关闭1号色谱柱前的进料阀、同时开启4号色谱柱前的进水阀，4号色谱柱、5号色谱柱、6号色谱柱、1号色谱柱、2号色谱柱串联组成第一分离区，洗脱剂水流动方向为从4号色谱柱至5号色谱柱至6号色谱柱至1号色谱柱至2号色谱柱，弱保留组分低聚木糖在洗脱剂推动下在2号色谱柱末的低聚木糖出口流出；整个过程保持7号色谱柱前柱后反洗阀的开启，继续反洗7号色谱柱；

子步骤三：子步骤二运行结束后，4号色谱柱前的进水阀继续保持开启，关闭6号色谱柱前循环阀，关闭2号色谱柱末的出低聚木糖阀；4号色谱柱至5号色谱柱组成第二分离区，水流动方向为4号色谱柱至5号色谱柱，在洗脱剂水的推动下，5号色谱柱末的出杂糖阀打开流出上个周期内的强保留组分杂糖；7号色谱柱柱前和柱后的反洗阀继续保持开启，反洗7号色谱柱；

子步骤四：子步骤三运行结束后，关闭分离区所有的进出口阀，开启分离区所有色谱柱前柱后的循环阀，1号色谱柱至6号色谱柱组成首尾连接的分离区，在洗脱剂水的推动下，中等保留组分木糖驻留在5号色谱柱与6号色谱柱之间的分离区域，使其与杂糖分离；整个过程中，7号色谱柱前柱后反洗阀的保持开启，反洗7号色谱柱；

子步骤五：子步骤四运行结束后，开启4号色谱柱前的进水阀，在洗脱剂水推动下，6号色谱柱末木糖出口阀流出中等保留组分木糖；关闭7号色谱柱前柱后反洗阀，停止反洗7号色谱柱；

当子步骤五运行完毕后，子步骤一中进料阀由1号色谱柱前切换至2号色谱柱前，低聚木糖出口阀由2号色谱柱末切换至3号色谱柱末，同时反洗1号色谱柱；子步骤二中进水阀由4号色谱柱前切换至5号色谱柱前，低聚木糖出口阀由2号色谱柱末切换至3号色谱柱末，同时继续反洗1号色谱柱；子步骤三中进水阀由4号色谱柱前切换至5号色谱柱前，杂糖出口阀由5号色谱柱末切换至6号色谱柱末，同时继续反洗1号色谱柱；子步骤四中2号色谱柱至7号色谱柱组成首尾连接的色谱分离区，同时继续反洗1号色谱柱；子步骤五中进水阀由4号色谱柱前切换至5号色谱柱前，木糖出口阀由6号色谱柱末切换至1号色谱柱末，停止反洗1号色谱柱；

子步骤运行完毕后，各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱，完成全部进出料阀运行循环后恢复至进出阀的初始位置，重复运行子步骤一至子步骤五，分别收集低聚木糖组分、木糖组分和杂糖组分。

进一步地，所述洗脱剂的流量为5～9mL/min，所述原料的流量为4～7mL/min，所述子步骤一的时间为8～11min，所述子步骤二的时间为8～12min，所述子步骤三的时间为2～5min，所述子步骤四的时间为17～20min，所述子步骤五的时间为11～14min；子步骤一至子步骤四中，所述反洗液的流量为4～7mL/min。

本发明有益的技术效果在于：

(1)本发明所述方法可以连续分离制取低聚木糖，并能回收低聚木糖水解液中的木糖和杂糖，产品中木二糖和木三糖的含量高(纯度可达到75％)，有较高的折光度和收率。本发明不仅解决传统模拟移动床分离过程中的低纯度、低产率、反混和分离功能区间交叉污染等问题，而且解决了传统四区或顺序式移动床法无法灵活切换单个色谱柱的不足。

(2)本发明利用七根色谱柱和电磁阀组，能够灵活调节色谱柱的连接方式，调整分离***和反洗***，使进行分离的过程中能同行进行色谱柱的反洗，降低损耗和后续的处理成本，提高了色谱柱的分离效率和使用寿命。

(3)本发明可连续分离低聚木糖和木糖两种组分，提高了低聚木糖和木糖的收率和纯度，充分挖掘了低聚水解液中各糖组分的价值，提高了生物制资源的利用率。

(4)本发明通过两次操作实现低聚木糖的充分分离，低聚木糖经过第一步并没有分离完全，因此本发明在第二步通过进水继续分离，提高了低聚木糖的收率和纯度。

附图说明

图1为本发明在线解耦多柱间歇模拟移动床分离低聚木糖、木糖、前杂糖和后杂糖的示意图。

图中：(a)、为子步骤一的进料、出低聚木糖和反洗的端口配置；(b)、为子步骤二阶段进水、出低聚木糖和反洗的端口配置；(c)、为子步骤三阶段进水、出杂糖和反洗的端口配置；(d)、为子步骤四的循环和反洗的端口配置；(e)、为子步骤五阶段进水和出木糖的端口配置。

图2为传统四区模拟移动床色谱法分离低聚木糖组分和杂糖组分的示意图。

图3为顺序式模拟移动床色谱法分离低聚木糖和杂糖组分的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

本发明的工作机制：糖分子上每一个羟基都带有一个非常弱的负电荷，端基异构碳所带羟基可被去质子化带较强的负电荷。因此，糖分子的负电荷与树脂表面的钙离子正电荷之间因静电中和作用而产生亲和力，糖分子负电荷越强，固定亲和力越强，保留时间越长；低聚木糖分子量增大，当大于树脂孔道尺寸，产生尺寸排阻效应，色谱柱上保留时间减少。单柱色谱中低聚木糖分子保留时间短、木糖保留时间次之，杂糖保留时间最长。向多柱间歇模拟移动床色谱***中流入低聚木糖水解液，子步骤一收集弱保留组分低聚木糖，子步骤三收集上个周期内的强保留组分杂糖，子步骤五收集中等保留组分木糖。沿洗脱剂流动方向切换端口以模拟固定相移动，能连续高效地分离低聚木糖。

本发明通过多柱间歇模拟移动床和色谱柱反洗的在线耦合，解决了现有方法不能同步切换分离区域，或者无法实现色谱柱的单柱切换，或者运行一定周期后需要停止整个***后才能清洗色谱柱，还存在生产效率降低、减少设备使用寿命、运行压力较高等问题；在从低聚木糖水解液中高效地分离出纯度较高的低聚木糖和木糖的同时，通过色谱柱的单柱切换，灵活改变色谱柱的连接方式，实现解耦反洗色谱柱，运行压力较低、分离效率较高，延长了色谱介质使用寿命，提高了分离介质使用效率；且清洗和分离过程同步进行，提高了分离效率，节约了时间成本。

下述实施例中所述的在线解耦多柱间歇模拟移动床如图1所示，由1～7号色谱柱组成(图中1#柱、2#柱、3#柱、4#柱、5#柱、6#柱、7#柱分别表示1号色谱柱、2号色谱柱、3号色谱柱、4号色谱柱、5号色谱柱、6号色谱柱、7号色谱柱)，包括分离区和反洗区：所述分离区包括六根色谱柱，相邻色谱柱间通过管线依次串联，非相邻(间隔)两根色谱柱之间通过超越管连接；所述在线解耦反洗区包括一根色谱柱嵌于分离区中，通过管线与分离区的色谱柱串联；每根色谱柱前后均设有一台循环泵和一个阀组，所述阀组含进水阀、进料阀、出低聚木糖阀、出木糖阀、出杂糖阀、循环阀、超越管阀、手动取样阀和反洗阀；所述进料及进水管线上各设有一台输送泵和一个流量计，低聚木糖组分端口、木糖组分端口和杂糖组分端口后设有电导率仪、流量计、流量调节阀。所述色谱柱用循环水夹套保温，温度为60℃～80℃；通过程序控制色谱柱前后的阀组中指定阀的开启或关闭，实现进原料、水和出糖组分，以及固定相模拟移动和反洗***(由反洗区的色谱柱及与色谱柱相连通的管道等组成)的启闭。所述在线解耦多柱间歇模拟移动床是以钙型阳离子交换树脂为固定相，以水为洗脱剂，运行温度为60～80℃；所述固定相为钙型强酸阳离子交换树脂，交联水平4％～10％，树脂粒径为0.22～0.35mm；所述洗脱剂通过进水管线进入色谱***；所述在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱包括1～7号色谱柱，分为分离区和在线解耦反洗区；所述在线解耦反洗区包括1根色谱柱；所述分离区包括6根色谱柱；所述色谱柱的高度为2～3m，设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器；色谱柱内装填有支撑层，所述支撑层由粒径为4～8mm、2～4mm和1～2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成；所述支撑层上设置树脂层。

所述在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱***首次运行时，分离区包括依次串联的1号色谱柱、2号色谱柱、3号色谱柱、4号色谱柱、5号色谱柱和6号色谱柱；所述在线解耦反洗区包括1根7号色谱柱。

下述实施例中在线解耦多柱间歇模拟移动床分离提取低聚木糖的每个步骤内有五个子步骤，即子步骤一、子步骤二、子步骤三、子步骤四和子步骤五，子步骤运行完毕后，各进出料位置沿液体流动方向均前移一根色谱柱，完成进出料阀运行循环后恢复至进出料的初始位置。具体子步骤如下：

(a)子步骤一：1号色谱柱的前进料阀注入原料，2号色谱柱末低聚木糖出口阀流出弱保留组分低聚木糖；启动7号色谱柱前柱后反洗阀，反洗7号色谱柱。

(b)子步骤二：子步骤一运行结束后，关闭1号色谱柱前的进料阀、同时开启4号色谱柱前的进水阀，4号色谱柱至6号色谱柱至1号色谱柱至2号色谱柱组成分离区，洗脱剂水流动方向为4号色谱柱至6号色谱柱至1号色谱柱至2号色谱柱，弱保留组分低聚木糖在洗脱剂水推动下在2号色谱柱末的低聚木糖出口阀流出；保持7号色谱柱前柱后反洗阀的开启，继续反洗7号色谱柱。

(c)子步骤三：子步骤二运行结束后，4号色谱柱前的进水阀保持开启，关闭6号色谱柱前循环阀，4号色谱柱至5号色谱柱组成分离区，水流动方向为4号色谱柱至5号色谱柱，在洗脱剂水的推动下，5号色谱柱末的杂糖出口阀流出上个周期内的强保留组分杂糖；7号色谱柱前柱后反洗阀的保持开启，反洗7号色谱柱。

(d)子步骤四：子步骤三运行结束后，关闭分离区所有的进出口阀，开启分离区所有色谱柱前柱后的循环阀，1号色谱柱至6号色谱柱组成首尾连接的分离区，在洗脱剂水的推动下，中等保留组分木糖驻留在5号色谱柱与6号色谱柱之间的分离区域，使其与杂糖分离；7号色谱柱前柱后反洗阀的保持开启，反洗7号色谱柱。

(e)子步骤五：子步骤四运行结束后，开启4号色谱柱前的进水阀，在洗脱剂水推动下，6号色谱柱末木糖出口阀流出中等保留组分木糖；关闭7号色谱柱前柱后反洗阀，停止反洗7号色谱柱。

当子步骤五运行完毕后，子步骤一中进料阀由1号色谱柱前切换至2号色谱柱前，低聚木糖出口阀由2号色谱柱末切换至3号色谱柱末，反洗1号色谱柱；子步骤二中进水阀由4号色谱柱前切换至5号色谱柱前，低聚木糖出口阀由2号色谱柱末切换至3号色谱柱末，反洗1号色谱柱；子步骤三中进水阀由4号色谱柱前切换至5号色谱柱前，杂糖出口阀由5号色谱柱末切换至6号色谱柱末，反洗1号色谱柱；子步骤四中2号色谱柱至7号色谱柱组成首尾连接的色谱分离区，反洗1号色谱柱；子步骤五中进水阀由4号色谱柱前切换至5号色谱柱前，木糖出口阀由6号色谱柱末切换至7号色谱柱末，停止反洗1号色谱柱。

所有子步骤运行完后，各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱，完成全部进出料阀运行循环后恢复至进出阀的初始位置，重复运行子步骤一至子步骤五，分别收集低聚木糖组分、木糖组分和杂糖组分。

下述实施例中提及的“约”，范围为给出的数值百分比±2％。

实施例1

一种在线解耦多柱间歇模拟移动床分离提取低聚木糖的方法，包括如下步骤：

(1)低聚木糖水解液预处理：粗制低聚木糖水解液经精密过滤除去固形物及胶体，用粉末活性炭联合离子交换树脂除去低聚木糖水解液中的色泽物及无机离子，得到透光率＞75％的糖溶液，控制蒸发温度在65℃，将低聚木糖水解浓缩至质量浓度约45％，即原料；所述原料中总糖折光浓度为20％，按质量分数计，其中含低聚木糖约50％(低聚木糖中木二糖～木五糖约70％、木六糖及以上约30％)、木糖约40％、杂糖约10％。

(2)在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离：依据糖组分与钙型固定相树脂亲和力差异性，配置进料端口和出料端口，分成五个子步骤分离提取原料中的低聚木糖、木糖和杂糖三种糖组分，同时进行色谱柱的反洗。

所述色谱柱用循环水夹套保温，温度为60℃；所述在线解耦多柱间歇模拟移动床是以钙型阳离子交换树脂为固定相，以水为洗脱剂，运行温度为70℃；所述固定相为钙型强酸阳离子交换树脂，交联水平为4％，树脂粒径为0.22～0.35mm；所述色谱柱的高度为2m，设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器；色谱柱内装填有支撑层，所述支撑层由粒径为4～8mm、2～4mm和1～2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成；所述支撑层上设置树脂层。

进料之前，向在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱***中流入70℃去离子水作为洗脱剂，流量保持在5mL/min，同时停止其它泵的运行，排掉滞留在柱内气体。分离区将洗脱剂流量增加到目标值7mL/min，进料流量4mL/min，一个周期46min(子步骤一8min，子步骤二8min，子步骤三2min，子步骤四17min，子步骤五11min)；子步骤一到子步骤三反洗区的反洗液流量增加到4mL/min。控制阀的切换和切换时间由PLC程序同时控制。

所有子步骤运行完后，各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱，完成全部进出料阀运行循环后恢复至进出阀的初始位置，重复运行子步骤一至子步骤五，分别收集低聚木糖组分、木糖组分和杂糖组分。

上述分离操作后，低聚木糖收率约90％、纯度约93％，其中木二糖～木三糖含量约为77％；木糖收率约90％、纯度约89％。

实施例2

一种在线解耦多柱间歇模拟移动床分离提取低聚木糖的方法，包括如下步骤：

(1)低聚木糖水解液预处理：粗制低聚木糖水解液经精密过滤除去固形物及胶体，用粉末活性炭联合离子交换树脂除去低聚木糖水解液中的色泽物及无机离子，得到透光率＞75％的糖溶液，控制蒸发温度在70℃，将低聚木糖水解浓缩至质量浓度约50％，得到原料；所述原料中总糖折光浓度25％，按质量分数计，其中低聚木糖约40％(低聚木糖中木二糖～木五糖约75％，木六糖及以上约25％)、木糖约40％、杂糖约20％。

(2)在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离：依据糖组分与钙型固定相树脂亲和力差异性，配置进料端口和出料端口，分成五个子步骤分离提取原料中的低聚木糖、木糖和杂糖三种糖组分，同时进行色谱柱的反洗。

所述色谱柱用循环水夹套保温，温度为70℃；所述在线解耦多柱间歇模拟移动床是以钙型阳离子交换树脂为固定相，以水为洗脱剂，运行温度为75℃；所述固定相为钙型强酸阳离子交换树脂，交联水平为7％，树脂粒径为0.22～0.35mm；所述色谱柱的高度为2m，设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器；色谱柱内装填有支撑层，所述支撑层由粒径为4～8mm、2～4mm和1～2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成；所述支撑层上设置树脂层。

进料之前，向在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱***中流入75℃去离子水作为洗脱剂，流量保持在6mL/min，同时停止其它泵的运行，排掉滞留在柱内气体。分离区将洗脱剂流量增加到目标值8mL/min，进料流量5mL/min，一个周期54min(子步骤一10min，子步骤二11min，子步骤三3min，子步骤四18min，子步骤五12min)；子步骤一到子步骤三反洗区的反洗液流量增加到6mL/min。控制阀的切换和切换时间由PLC程序同时控制。

所有子步骤运行完后，各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱，完成全部进出料阀运行循环后恢复至进出阀的初始位置，重复运行子步骤一至子步骤五，分别收集低聚木糖组分、木糖组分和杂糖组分。

上述分离操作后，低聚木糖收率约91％、纯度约92％，其中木二糖～木三糖含量约为74％；木糖收率约89％、纯度约90％。

重复上述子步骤2000次循环后，低聚木糖收率约90％、纯度约90％，其中木二糖～木三糖含量约为73％；木糖收率约87％、纯度约88％。

实施例3

一种在线解耦多柱间歇模拟移动床分离提取低聚木糖的方法，包括如下步骤：

(1)低聚木糖水解液预处理：粗制低聚木糖水解液经精密过滤除去固形物及胶体，用粉末活性炭联合离子交换树脂除去低聚木糖水解液中的色泽物及无机离子，得到透光率＞75％的糖溶液，控制蒸发温度在80℃，将低聚木糖水解浓缩至质量浓度约60％，得到原料；所述原料的总糖折光浓度为30％，按质量分数计，其中低聚木糖约70％(木二糖～木五糖约85％，木六糖及以上约15％)、木糖约20％、杂糖约10％。

(2)在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离：依据糖组分与钙型固定相树脂亲和力差异性，配置进料端口和出料端口，分成五个子步骤分离提取原料中的低聚木糖、木糖和杂糖三种糖组分，同时进行色谱柱的反洗。

所述色谱柱用循环水夹套保温，温度为80℃；所述在线解耦多柱间歇模拟移动床是以钙型阳离子交换树脂为固定相，以水为洗脱剂，运行温度为80℃；所述固定相为钙型强酸阳离子交换树脂，交联水平为10％，树脂粒径为0.22～0.35mm；所述色谱柱的高度为2m，设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器；色谱柱内装填有支撑层，所述支撑层由粒径为4～8mm、2～4mm和1～2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成；所述支撑层上设置树脂层。

进料之前，向在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱***中流入80℃去离子水作为洗脱剂，流量保持在9mL/min，同时停止其它泵的运行，排掉滞留在柱内气体。分离区将洗脱剂流量增加到目标值8mL/min，进料流量7mL/min，一个周期62min(子步骤一11min，子步骤二12min，子步骤三5min，子步骤四20min，子步骤五14min)；子步骤一到子步骤三反洗区的反洗液流量增加到7mL/min。控制阀的切换和切换时间由PLC程序同时控制。所有子步骤运行完后，各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱，完成全部进出料阀运行循环后恢复至进出阀的初始位置，重复运行子步骤一至子步骤五，分别收集低聚木糖组分、木糖组分和杂糖组分。

上述分离操作后，低聚木糖收率约92％、纯度约93％，其中木二糖～木三糖含量约为75％；木糖收率约92％、纯度约88％。

重复上述子步骤5000次循环后，低聚木糖收率约88％、纯度约89％，其中木二糖～木三糖含量约为70％；木糖收率约88％、纯度约85％

对比例1：

一种多柱间歇模拟移动床分离提取低聚木糖的方法，包括如下步骤：

(1)低聚木糖水解液预处理：粗制低聚木糖水解液经精密过滤除去固形物及胶体，用粉末活性炭联合离子交换树脂除去低聚木糖水解液中的色泽物及无机离子，得到透光率＞75％的糖溶液，控制蒸发温度在70℃，将低聚木糖水解浓缩至质量浓度约50％，得到原料；所述原料的总糖折光浓度为20％，按质量分数计，其中低聚木糖约55％(低聚木糖中木二糖～木五糖约80％，木六糖及以上约20％)、木糖约35％、杂糖约10％。

(2)在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离：依据糖组分与钙型固定相树脂亲和力差异性，配置进料端口和出料端口，分成五个子步骤分离提取原料中的低聚木糖、木糖和杂糖三种糖组分，无反洗过程。所述色谱柱用循环水夹套保温，温度为70℃；所述在线解耦多柱间歇模拟移动床是以钙型阳离子交换树脂为固定相，以水为洗脱剂，运行温度为75℃；所述固定相为钙型强酸阳离子交换树脂，交联水平为7％，树脂粒径为0.22～0.35mm；所述色谱柱的高度为2m，设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器；色谱柱内装填有支撑层，所述支撑层由粒径为4～8mm、2～4mm和1～2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成；所述支撑层上设置树脂层。

进料之前，向在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱***中流入75℃去离子水作为洗脱剂，流量保持在6mL/min，同时停止其它泵的运行，排掉滞留在柱内气体。分离区将洗脱剂流量增加到目标值8mL/min，进料流量5mL/min，一个周期54min(子步骤一10min，子步骤二11min，子步骤三3min，子步骤四18min，子步骤五12min)。控制阀的切换和切换时间由PLC程序同时控制。

所有子步骤运行完后，各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱，完成全部进出料阀运行循环后恢复至进出阀的初始位置，重复运行子步骤一至子步骤五，分别收集低聚木糖组分、木糖组分和杂糖组分。

上述分离操作后，低聚木糖收率约91％、纯度约92％，其中木二糖～木三糖含量约为74％；木糖收率约89％、纯度约90％。

重复上述无反洗过程子步骤2000次循环后，低聚木糖收率约80％、纯度约80％，其中木二糖～木三糖含量约为60％；木糖收率约79％、纯度约79％。

对比例2：

一种多柱间歇模拟移动床分离提取低聚木糖的方法，包括如下步骤：

(1)低聚木糖水解液预处理：粗制低聚木糖水解液经精密过滤除去固形物及胶体，用粉末活性炭联合离子交换树脂除去低聚木糖水解液中的色泽物及无机离子，得到透光率＞75％的糖溶液，控制蒸发温度在70℃，将低聚木糖水解浓缩至质量浓度约50％，得到原料；所述原料中总糖折光浓度为30％，按质量分数计，其中低聚木糖约55％(低聚木糖中木二糖～木五糖约80％，木六糖及以上约20％)、木糖约30％、杂糖约15％。

(2)在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离：依据糖组分与钙型固定相树脂亲和力差异性，配置进料端口和出料端口，分成五个子步骤分离提取原料中的低聚木糖、木糖和杂糖三种糖组分，无反洗过程。所述色谱柱用循环水夹套保温，温度为80℃；所述在线解耦多柱间歇模拟移动床是以钙型阳离子交换树脂为固定相，以水为洗脱剂，运行温度为80℃；所述固定相为钙型强酸阳离子交换树脂，交联水平为10％，树脂粒径为0.22～0.35mm；所述色谱柱的高度为2m，设有排气口、视镜、树脂装填口、树脂排出口、人孔和液体分布器；色谱柱内装填有支撑层，所述支撑层由粒径为4～8mm、2～4mm和1～2mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成；所述支撑层上设置树脂层。

进料之前，向在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱***中流入80℃去离子水作为洗脱剂，流量保持在9mL/min，同时停止其它泵的运行，排掉滞留在柱内气体。分离区将洗脱剂流量增加到目标值8mL/min，进料流量7mL/min，一个周期62min(子步骤一11min，子步骤二12min，子步骤三5min，子步骤四20min，子步骤五14min)。控制阀的切换和切换时间由PLC程序同时控制。

所有子步骤运行完后，各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱，完成全部进出料阀运行循环后恢复至进出阀的初始位置，重复运行子步骤一至子步骤五，分别收集低聚木糖组分、木糖组分和杂糖组分。

上述分离操作后，低聚木糖收率约92％、纯度约93％，其中木二糖～木三糖含量约为75％；木糖收率约92％、纯度约88％。

重复上述无反洗过程子步骤5000次循环后，低聚木糖收率约73％、纯度约71％，其中木二糖～木三糖含量约为53％；木糖收率约75％、纯度约69％。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离提取低聚木糖的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）低聚木糖水解液预处理：粗制低聚木糖水解液经过滤除去固形物及胶体，用粉末活性炭联合离子交换树脂除去低聚木糖水解液中的色泽物及无机离子，得到透光率＞70%的糖溶液，蒸发浓缩，控制温度在65~80℃，将糖溶液浓缩至质量浓度为45%~60%，得精制低聚木糖水解液，即原料；

（2）在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离：将步骤（1）得到的原料通过进料管线通入在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱***，经过在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离，制取低聚木糖、木糖和杂糖；

所述在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱是以钙型阳离子交换树脂为固定相，以水为洗脱剂，运行温度为60~80℃；

所述固定相为钙型强酸阳离子交换树脂，交联水平4%~10%，树脂粒径为0.22~0.35 mm；

所述洗脱剂通过进水管线进入色谱***；

所述在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱包括1~7号色谱柱，分为分离区和在线解耦反洗区；

所述在线解耦反洗区包括1根色谱柱；所述分离区包括6根色谱柱；

所述在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱***首次运行时，分离区包括依次串联的1号色谱柱、2号色谱柱、3号色谱柱、4号色谱柱、5号色谱柱和6号色谱柱；所述在线解耦反洗区包括1根7号色谱柱；

所述分离区和在线解耦反洗区的每根色谱柱前后均设有一个阀组，所述阀组包括进水阀、进料阀、出低聚木糖阀、出木糖阀、出杂糖阀、循环阀、超越管阀、手动取样阀和反洗阀；所述阀组中指定阀的开启或关闭是通过程序控制，进而实现进料、进水和出糖组分，以及固定相模拟移动和反洗***的启闭；

所述分离区的相邻色谱柱间通过管线依次串联，间隔两根色谱柱之间通过超越管连接；所述在线解耦反洗区的色谱柱嵌于分离区中，通过管线与分离区的色谱柱串联；所述分离区及在线解耦反洗区的每根色谱柱前后均设有一台循环泵；所述进料管线及进水管线上均设有输送泵、流量计；

所述在线解耦多柱间歇模拟移动床色谱分离制取低聚木糖、木糖和杂糖的每个周期内有五个子步骤，即子步骤一、子步骤二、子步骤三、子步骤四和子步骤五，子步骤运行完毕后，各进出料位置沿液体流动方向均前移一根色谱柱，完成进出料阀运行循环后恢复至进出料的初始位置；

所述五个子步骤具体为：

子步骤一：1号色谱柱前的进料阀打开注入原料，2号色谱柱末低聚木糖出口阀打开流出弱保留组分低聚木糖；同时，启动7号色谱柱柱前、柱后的反洗阀，用反洗液反洗7号色谱柱；所述反洗液为水；

子步骤二：子步骤一运行结束后，关闭1号色谱柱前的进料阀、同时开启4号色谱柱前的进水阀，4号色谱柱、5号色谱柱、6号色谱柱、1号色谱柱、2号色谱柱串联组成分离一区，洗脱剂水流动方向为从4号色谱柱至5号色谱柱至6号色谱柱至1号色谱柱至2号色谱柱，弱保留组分低聚木糖在洗脱剂推动下在2号色谱柱末的低聚木糖出口流出；整个过程保持7号色谱柱柱前柱后反洗阀的开启，继续反洗7号色谱柱；

子步骤三：子步骤二运行结束后，4号色谱柱前的进水阀继续保持开启，关闭6号色谱柱前循环阀，关闭2号色谱柱末的出低聚木糖阀；4号色谱柱至5号色谱柱组成分离二区，水流动方向为4号色谱柱至5号色谱柱，在洗脱剂水的推动下，5号色谱柱末的出杂糖阀打开流出上个周期内的强保留组分杂糖；7号色谱柱柱前和柱后的反洗阀继续保持开启，反洗7号色谱柱；

子步骤四：子步骤三运行结束后，关闭分离区所有的进出口阀，开启分离区所有色谱柱前柱后的循环阀，1号色谱柱至6号色谱柱组成首尾连接的分离区，在洗脱剂水的推动下，中等保留组分木糖驻留在5号色谱柱与6号色谱柱之间的分离区域，使其与杂糖分离；整个过程中，7号色谱柱柱前、柱后反洗阀的保持开启，反洗7号色谱柱；

子步骤五：子步骤四运行结束后，开启4号色谱柱前的进水阀，在洗脱剂水推动下，6号色谱柱末木糖出口阀流出中等保留组分木糖；关闭7号色谱柱柱前、柱后反洗阀，停止反洗7号色谱柱；

当子步骤五运行完毕后，子步骤一中进料阀由1号色谱柱前切换至2号色谱柱前，低聚木糖出口阀由2号色谱柱末切换至3号色谱柱末，同时反洗1号色谱柱；子步骤二中进水阀由4号色谱柱前切换至5号色谱柱前，低聚木糖出口阀由2号色谱柱末切换至3号色谱柱末，同时继续反洗1号色谱柱；子步骤三中进水阀由4号色谱柱前切换至5号色谱柱前，杂糖出口阀由5号色谱柱末切换至6号色谱柱末，同时继续反洗1号色谱柱；子步骤四中2号色谱柱至7号色谱柱组成首尾连接的色谱分离区，同时继续反洗1号色谱柱；子步骤五中进水阀由4号色谱柱前切换至5号色谱柱前，木糖出口阀由6号色谱柱末切换至7号色谱柱末，停止反洗1号色谱柱；

子步骤运行完毕后，各进出料阀的位置沿液体流动方向前移一根色谱柱，完成全部进出料阀运行循环后恢复至进出阀的初始位置，重复运行子步骤一至子步骤五，分别收集低聚木糖组分、木糖组分和杂糖组分。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述粗制低聚木糖水解液是农林废弃物中半纤维素酸性水解的产物；所述精制低聚木糖水解液的总糖折光浓度为20%~30%，其中，按质量百分数计，含如下组分：低聚木糖40%~70%、木糖20%~40%、杂糖10%~20%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述色谱柱的高度为2~3 m，色谱柱内装填有支撑层，所述支撑层由粒径为4~8 mm、2~4 mm和1~2 mm规格的石英砂从上到下依次铺设形成；所述支撑层上设置树脂层。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述色谱柱用循环水夹套保温，温度为60~80℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述洗脱剂的流量为5~9 mL/min，所述原料的流量为4~7 mL/min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子步骤一的时间为8~11 min，所述子步骤二的时间为8~12 min，所述子步骤三的时间为2~5 min，所述子步骤四的时间为17~20min，所述子步骤五的时间为11~14 min；所述反洗液的流量为4~7 mL/min。