模拟移动床利用安全因子法分离第三代高纯果糖

曹龙奎，王菲菲，于 宁

(1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江省农产品加工工程技术研究中心，黑龙江 大庆 163319；

2.黑龙江农业经济职业学院，黑龙江 牡丹江 157041；3.黑龙江省乳品工业技术开发中心，黑龙江 哈尔滨 150086)

模拟移动床利用安全因子法分离第三代高纯果糖

曹龙奎1，王菲菲2，于 宁3

(1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江省农产品加工工程技术研究中心，黑龙江 大庆 163319；

2.黑龙江农业经济职业学院，黑龙江 牡丹江 157041；3.黑龙江省乳品工业技术开发中心，黑龙江 哈尔滨 150086)

目的：研究以果葡糖浆为原料，利用模拟移动床法(simulated moving bed，SMB)，从果葡糖浆中分离第3代高纯度果糖的工艺方法。方法：首先通过对分离度影响因素的分析，进行单柱脉冲实验，确定树脂型号、进料体积、进料流速、进料浓度以及操作温度等操作参数，然后通过安全因子法得到SMB的简易参数设计方法，确定模拟移动床的理论参数，并在实验中修正得到实际的最佳参数。结果：理论模拟结果很好的吻合实验结果，实验得到模拟移动床最佳参数为切换时间469s、进料流速0.325L/h、洗脱液流速1.574L/h、提取液流速0.902L/h、提余液流速0.951L/h、循环流速1.897L/h；通过模拟移动床法分离第3代高纯果糖纯度为99.91%、得率为80.32%、葡萄糖纯度为92.34%、得率为90.13%。

模拟移动床；安全因子法；参数设计；高纯果糖

果糖是自然界中存在的最甜的糖品，由于它在水果和浆果中广泛存在，因而被称为果糖[1]。成分组成主要是果糖和葡萄糖，故称为果葡糖浆。根据果糖含量的不同，果葡糖浆分为3种：F42糖(一代果葡糖浆，果糖含量42%)，F55糖(二代果葡糖浆，果糖含量55%)和F90糖(三代果葡糖浆，果糖含量90%)。果糖除能良好的应用于食品行业，且在医疗行业应用广泛，被美、英、德、日等国家收录入药典，在某些国家已成为仅次于葡萄糖的第二大注射液。但我国实际产量不足，且多以F42糖为主，医药市场的果糖全靠进口解决。

模拟移动床(simulated moving bed，SMB)是常用的连续操作的色谱分离设备，可用来分离物理、化学性质十分接近的混合物，如同分异构体等[2]。1961年Broughton[3]首次提出模拟移动床概念，它是一种连续制备色谱技术，吸取了固定床和移动床工艺各自的优点而设计的工艺。20世纪70年代到80年代SMB色谱技术主要应用于石油及食品的分离；到90年代以来，SMB技术开始用于药物尤其是手性药物的分离[4]，并且逐步进入其他应用领域，例如精细化工、化妆品和香料工业等。在国外工业中SMB已经成为一种通用性的操作单元，例如比利时药品公司UCB Pharma利用SMB来分离旋光异构体，已达十吨级的规模[5]。20世纪80年代中期，由美国UOP公司将SMB技术并配以含有Ca2+的离子交换树脂或分子筛作为分离介质用于果糖与葡萄糖的分离，经过研究与发展，利用SMB分离后，在提取液中果糖浓度为90%～94%，回收率在90%以上；提余液中葡萄糖的质量分数也大于80%[6]。SMB还广泛用于其他糖类的生产中，如在其他单糖的分离中，如木糖和阿拉伯糖以及木糖和葡萄糖的分离[7-8]。模拟移动床分离果葡糖浆的技术，在国外已经实现了大规模的应用[9]，我国的应用研究也有了很大的进步，经过SMB分离后可得到95%的果糖。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

F42果葡糖浆(质量分数60%)、离子水 自制；漂莱特PCR-642型Ca2+树脂 山东胶南金泰源海洋科技公司；701型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂 安徽三省树脂科技有限公司。

1.2 仪器与设备

一根Φ1000mm×10mm不锈钢单柱(可升温)、模拟移动床 自制；TBP-1002双柱塞输液泵 上海同田生物技术有限公司；阿贝折射仪 上海长方光学仪器有限公司；1200高效液相色谱 美国安捷伦科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 模拟移动床分离过程工艺

典型的SMB是将多个色谱柱通过多通阀、泵等串联成闭合环路，通过不断切换阀门改变各股物料进出口位置，实现固液两相的相对移动，进行不同组分的分离提取。它既有固定床吸附操作简单的优点，又有移动床连续操作的能力，适合大规模工业化生产。

本实验分离高纯度果糖功能区域的划分为4个区如图1所示，分别为：一精段3根、吸附段3根、二精段2根和解析段4根。它有两个入口和两个出口：进料FA和B和解析剂D通过入口连续进入系统，同时提取液AD、提余液BD通过出口流出。在操作工程中，液体的出入口位置按照一定的切换时间沿图1所示的切换方向切换一次，来模拟固定相吸附剂相对于流动相逆向流动，从而达到和真实移动床等同的效果。对于特定的分离目标，选择恰当的分离参数，经过一段时间运行后系统将会达到周期性的稳定状态。

图1 模拟移动床结构示意图Fig.1 Schematic diagram of simulated moving bed

1.3.2 单柱脉冲实验

在柱中装填一定量的树脂，用去离子水冲洗干净后，备用。调整蠕动泵为一定转速，以去离子水为洗脱剂，进行进样。进样后每4mL收集一个样品，利用高效液相色谱法检测样品中果糖和葡萄糖的质量分数及纯度。以分离度为指标，选择适合的树脂，以及最适的进料体积、进料流速、进料浓度以及操作温度等操作参数[10]。

1.3.3 SMB简易参数设计

模拟移动床的参数估计需要进行复杂的数值模拟和大量的SMB实验摸索[11]，并且对于不同的带分离体系要进行不同的工作，这需要极大的工作量和工作时间。本实验利用安全因子法，它主要要求测定竞争吸附等温线，得到一些竞争性吸附数据，由此对SMB的分离系统设计其操作参数，得到SMB分离果葡糖浆的理论参数[12]。

1.3.4 SMB参数优化设计

通过模拟移动床的实际操作，将理论值在实验中进行修正优化，得出最适的制备高纯果糖的SMB参数。

1.3.5 指标测定

糖液的折光(固形物含量)由阿贝折射仪得出；果糖及葡萄糖纯度和质量分数的测定在高效液相色上进行，色谱条件：色谱柱：Reze×RPM-Monosaccharide Pb柱；检测器：G1362A示差折光检测器；柱温：75℃；流动相：水；流速：0.8mL/min；进样量：20μL。

式中：t2为果糖保留时间/min；t1为葡萄糖保留时间/min；W1为葡萄糖色谱峰峰宽/min；W2为果糖色谱峰峰宽/min。

2 结果与分析

2.1 单柱脉冲实验参数的确定

2.1.1 不同树脂对分离度的影响

分别装填漂莱特PCR-642 Ca2+、701型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，进样温度为60℃，进样体积为18mL，进样质量分数为60%(果糖为44.6%，葡萄糖为54.5%)，流速为1.62mL/min，用去离子水洗脱。在相同条件下进行实验，结果见表1。

表1 不同树脂对分离度的影响Table 1 Effect of resin type on separation degree

由表1可以看出，不同树脂对果葡糖浆有一定的影响。利用PCR-642 Ca2+树脂的分离度大于701型树脂，因此选用PCR-642 Ca2+树脂。

2.1.2 柱温对分离度的影响

取漂莱特PCR-642 Ca2+树脂装柱，其他条件与1.1.1节相同，分别在50、55、60、65、70℃的操作温度进行实验，计算不同条件下的分离度，结果见图2。

图2 柱温对分离度的影响Fig.2 Effect of column temperature on separation degree

如图2所示，分离度随着柱温的增加而增大，当温度达到60℃时，分离度最高。随着操作温度的升高可促进分离过程的进行，使分离效果提高，但由于吸附过程放热，温度过高，反而会影响吸附分离的效果。当温度超过65℃时，果糖液会发生变黄，有氧化分解的现象。采用SAS 8.2统计软件对其进行处理，在3次重复的因素分析中，F=129.90，P＜0.001，相关系数为0.981118，说明柱温对分离效果有显著差异。

2.1.3 洗脱流速对分离度的影响

其他条件不变，调节去离子水洗脱流速为0.35、0.81、1.62、2.42、3.53mL/min，计算不同条件下的分离度，结果见图3。

图3 流速对分离度的影响Fig.3 Effect of elution solution flow rate on separation degree

由图3可知，洗脱流速对果葡糖浆的分离有很大的影响。在低洗脱流速下，吸附剂对果糖的吸附充分，分离效果好，洗脱流速快，使组分在柱中的停留时间短，溶液中的离子来不及扩散到树脂内部，分离时间短，分离效果差。因此，选择1.62mL/min为较合适的洗脱流速。采用SAS 8.2统计软件对其进行处理，在3次重复的因素分析中，F=437.10，P＜0.001，相关系数为0.994313，说明洗脱流速对分离效果有显著差异。

2.1.4 进样质量分数对分离度的影响

其他条件不变，分别使果葡糖浆质量分数调为40%、50%、60%、70%、80%开始进样，计算不同条件下的分离度，结果见图4。

图4 糖浆质量分数对分离度的影响Fig.4 Effect of syrup concentration on separation degree

由图4可知，随着糖浆质量分数的增大，分离度逐渐减小。这是由于糖浆质量分数增加柱的负荷增大且分离速度下降，从而使分离度下降。而糖浆质量分数低，虽分离效果好，但生产效率低。因此，确定60%为最佳进样质量分数。采用SAS 8.2统计软件对其进行处理，在3次重复的因素分析中，F=457.50，P＜0.001，相关系数为0.994565，说明进样质量分数对分离效果有显著差异。

2.1.5 进样量对分离度的影响

其他条件不变，分别将10、14、18、22、26mL糖液引入柱子，计算不同条件下的分离度，结果如图5所示。

图5 进样量对分离度的影响Fig.5 Effect of feeding volume on separation degree

由图5可知，随着糖浆进料量的增大，果糖与葡萄糖分离度逐渐减小。由于进料量的增加，加重柱子的负担，是果糖吸附效果差，导致分离度降低。增大进料量，要想得到较好的分离效果，要使柱子更长。因此，在保证分离度较高的情况下，兼顾生产效率，确定18mL为最佳进料量。采用SAS 8.2统计软件对其进行处理，在3次重复的因素分析中，F=407.10，P＜0.001，相关系数为0.993896，说明进样量对分离效果有显著差异。

2.1.6 果葡糖浆的分离曲线

图6 洗脱曲线Fig.6 Elution curves of fructose and glucose

由图6可知，洗脱液按顺序分为几部分，最先部分为稀糖液，糖分主要为葡萄糖，混有少量果糖；第2部分为浓糖液，主要为葡萄糖，但混有相当量的果糖；第3部分，主要为果糖，但有相当一部分葡萄糖；第4部分为浓糖液，主要为果糖，有少量葡萄糖。

2.2 SMB参数优化设计

2.2.1 实验参数的设定

由于在单柱脉冲实验已经得到一些重要的参数，在此阶段所需的只是一次而简单的实验步骤，并不需要使用SMB装置。

2.2.2 吸附等温线的起始斜率

在一个单组分系统中，吸附等温线给出了在特定温度下达到平衡固定相质量浓度C/(g/L)与流动相质量浓度C/(g/L)之比。低质量浓度时，吸附等温线是线性的，可以写成：

式(1)中：K为吸附等温线斜率，利用保留时间即可得到吸附等温线的初始斜率(K0)，这需要在单柱上进行脉冲实验得到，然后通过式(2)可以求得这个保留时间：

式(2)中：t0=εV/Q，为零保留时间；ε是床层空隙率(其值通常在0.36～0.4之间)；tR为保留时间/min；K为固体吸附力系数。方程(2)为完整的吸附等温线[14]，只有在线性条件下才是有效的，通过零保留时间，可以计算出两种糖的保留时间。

本试验设计12柱SMB系统，将F-42果葡糖浆溶液(葡萄糖质量分数54.5%和果糖质量分数44.6%)在一根1m×10mm(体积78.5mL)的色谱柱上，以1.62mL/min的纯水作为洗脱剂，得到保留时间t葡萄糖=39.51min、t果糖=50.61min，压力降为0.3MPa。得到零保留时间为t0=19.38min。

因此可以得到吸附等温线的初始斜率：

2.2.3 计算真实移动床(ture moving bed，TMB)

对于给定的进料质量浓度，TMB的设计主要是对不同流率的选择：循环、进料、洗脱、萃出、残液和固体流率(等效于SMB中的进出口切换周期)。为了在残液中回收弱吸附组分A和在萃取液中回收强吸附组分B，使它们必须满足表2中的条件。

对表2中的所有不等式引入一个相同的因子，可得到：

表2 达到分离的TMB内部流率约束Table 2 Internal TMB flow rate constraints to achieve separation

由于在线性吸附条件下，两组分存在式(1)的关系，式(3)可改写成：

当选定了β后，就可以得到一个TMB中的所有流率了。β是一个安全因子，当β接近于1时，SMB在最大负载下工作，这时它对于塔板数和流率的变化显得很敏感。当β值增加时，系统的生产率有所降低，但是更为稳健。实际上，β值通常是在1.00～1.05之间[15]。另外，根据方程(4)还可以得到式(5)中约束条件，这个关系仅对线性吸附等温线有效。

2.2.4 计算模拟移动床(SMB)）

表3 SMB和对应TMB的联系Table 3 Relationship between SMB and TMB

TMB概念和SMB概念是近似的，对于一个TMB可以直接找到其最优操作条件并且模拟这种过程，那么利用他们之间的相似性，就可以设计一个SMB操作条件。表3为SMB和TMB之间的联系。

通过表3中两者之间的关系，就可以从TMB的流率来求解出SMB的各个流率，并可以模拟出完整的SMB行为以此来精确选择所需的配置。

由于待分离混合物总浓度60%，计算得出质量浓度为594g/L，且SMB处理量为0.2kg/h，所以进料流率为0.34L/h，设β=1.05，可得M＆、

表4 SMB理论工作参数Table 4 Theoretical operating parameters of SMB

2.3 SMB参数优化设计

图7 切换时间延长对分离效果的影响Fig.7 Effect of increasing switching time on separation degree

延长切换时间导致各区的保留体积增加，如图7所示，这会提高区2内的纯度和区3内的得率，但同样降低了区4内的纯度和区1内的得率。当改变切换时间进行调整不再有效时，应通过改变区内流速进行调整。这是SMB系统中一种微调的方法。即改变Z3/Zavg(Zavg为区1和区2流速的平均值)的比率和Z4/Zavg的比率，也可单独改变其中一种。如图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纯度。因此，本实验要得到高纯度果糖，其纯度在99%以上，就应该相应地延长切换时间，对各个区域流速进行微调。

图8 工作区流速提高对分离效果的影响Fig.8 Effect of work zone flow rate on separation degree

表5 SMB实际工作参数Table 5 Experimental operating parameters of SMB

经过微调得到实际的最佳操作条件，如表5所示。在该条件下，最终在提取液出口得到纯度为99.91%的果糖，得率为80.32%，在提余液出口得到葡萄糖92.34%，得率为90.13%。

3 结 论

3.1 通过单柱脉冲实验，以分离度为指标，得到漂莱特PCR-642 Ca2+树酯有较好的吸附效果，最佳进样条件：柱温60℃、进样质量分数60%、洗脱流速1.62mL/min、进样量18mL。

3.2 利用单柱脉冲实验所得结果，通过安全因子法得到SMB的简易参数设计方法，确定模拟移动床的理论参数。

3.3 通过模拟移动床的实际操作，将理论值在实验中进行优化，得到最适的制备高纯果糖的SMB参数：切换时间469s、进料流速0.325L/h、洗脱液流速1.574L/h、提取液流速0.902L/h、提余液流速0.951L/h、循环流速1.897L/h。在该操作条件下，果糖纯度达到99.91%，得率为80.32%，葡萄糖纯度为92.34%，得率为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

黑龙江省科技厅重点攻关项目(GB07B408)

曹龙奎(1965—)，男，教授，博士，研究方向为农产品加工工艺与设备。 E-mail：longkuicao@yahoo.com.cn