三元组分分离的SMB改进工艺仿真研究

陈玉环 李凌

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403021

摘 要 研究了五区模拟移动床（SMB）工艺分离三元组分的性能，采用1?1?1?1?1、2?2?2?2?2、3?3?3?3?3共3种色谱柱配置分析区域中的色谱柱数量对分离产品纯度的影响，同时，为了提高五区五柱SMB的分离性能，采用了以下两种优化方法，第1种方法是采用一种改进的SMB技术，即进料浓度可变的Modicon工艺;第2种方法是利用粒子群算法对SMB分离过程的操作参数进行优化。结果表明，以上两种优化方法都可以提高分离产品的纯度和生产率。

关键词 模拟移动床 三元组分分离 色谱柱配置 Modicon进料策略 PSO

中图分类号 TP29    文献标志码 A   文章编号 1000?3932（2024）03?0516?08

作者简介：陈玉环（1999-），硕士研究生，从事模拟移动床控制与优化方法的研究。

通讯作者：李凌（1972-），副教授，从事复杂系统建模与控制方法的研究，lengleng0604@163.com。

引用本文：陈玉环，李凌.三元组分分离的SMB改进工艺仿真研究[J].化工自动化及仪表，2024，51（3）：516-522;534.

手性药物分离一直是制药行业关注的主要问题，有些手性药物分子可能存在三种异构体，所以对于手性药物的三元组分分离很有必要[1]。模拟移动床（Simulated Moving Bed，SMB）作为一种现代分离技术，不仅可以应用于二元组分的分离，也可以应用于三元组分的分离[2]。近年来随着SMB色谱分离技术的不断发展，国内外的诸多学者提出了多种方法对三元混合组分进行分离：采用平行柱结构，利用双层SMB色谱分离三元混合组分[3];将两个传统的四区SMB串联，利用两个级联的SMB连续分离三元混合组分等[4]。然而，与使用单个模拟移动床装置的方法相比，上面两种方法在制造、操作、控制和维护方面更复杂。为此，学者们开发了一系列单一模拟移动床工艺，可以较好地应用于三元组分的分离，包括两区SMB工艺、五区SMB工艺[5]、八区SMB工艺[6]、九区SMB工艺[7]、三馏分SMB[8]、伪SMB工艺和多柱逆流溶剂梯度纯化工艺[9]等。在上面所述的工艺中，五区SMB工艺被认为是连续分离三元混合物的最有前途的工艺之一[10]。

笔者采用2-提取液五区SMB（即三元混合物分别在提余液口、1号和2号提取液口中产生）分离三元混合物，为了分析区域中的色谱柱数量对分离产品纯度的影响，采用1?1?1?1?1、2?2?2?2?2、3?3?3?3?3共3种色谱柱配置排列，结果表明，五区五柱SMB不仅可以缩短处理时间，提高整个过程的处理效率，而且能够提高中间保留组分的分离纯度和弱保留组分的生产率。

为了提高SMB的分离效率，在传统SMB的基础上，提出了一些新的技术，例如超临界SMB、温度梯度SMB及浓度梯度SMB等[11]。近年来，研究学者通过在更复杂的动态条件下操作SMB来实现分离效果的提升。例如合理配置各区域色谱柱的Varicol工艺[12]、对进料流量进行调节的PowerFeed工艺和周期性调节进料浓度的Modicon工艺[13]。在上述操作中，不会像传统的SMB一样在一个切换周期内保持条件恒定不变，而是允许在一个切换周期内分别改变色谱柱配置、流体流速或进料浓度，从而提高SMB的分离效率。

为了提高五区五柱SMB的分离效率，笔者采用以下两种方法进行优化，第1种是采用进料浓度可变的Modicon工艺，与恒定进料策略相比，Modicon工艺可以在一个切换周期内改变进料浓度;第2种是利用粒子群优化算法（PSO）对SMB分离过程进行单目标操作优化，仿真结果表明，这两种方法都可以优化五区五柱SMB的分离过程。

1 三元混合物的五区SMB分离

假设要进行分离的3个混合物分别为组分A、B和C，其中组分A是强保留组分，组分B是中间保留组分，组分C是弱保留组分。五区SMB可以在四区SMB的基础上进行构造，以下是两种构造五区SMB的方案。方案一：在第Ⅱ区中引入侧流，将该区分成两个区域，这种配置被命名为2-提取液五区SMB，侧流被称为提取液2，如图1所示。方案二：在提余液区域中引入侧流，将产生两个提余液流，这种配置被命名为2-提余液五区SMB，侧流被称为提余液2，如图2所示。笔者采用2-提取液五区SMB（方案一）分离三元混合物[14]。

2 模拟移动床的建模及模型求解

2.1 色谱柱模型

利用一般速率理论建立的色谱柱基本模型如下：

+F+u=D  （1）

传质方程为：

=-k（q-q），i=1，2，…，n （2）

q=f（c，…，c） （3）

边界条件为：

c（0，t）=ψ（t） （4）

=0 （5）

初始條件为：

c（x，0）=c （6）

q（x，0）=q       （7）

其中，F为相比;q和c分别表示组分i在固相和液相中的浓度，D为轴向扩散系数，ψ（t）为边界条件函数，L为柱长度，k为传质系数，q为达到吸附平衡时组分i的浓度，x和t分别表示柱长度和时间微元，u表示液体流速。

2.2 线性吸附等温线模型

q和c之间的平衡关系通常用吸附等温线模型来表示，笔者采用线性吸附等温线模型来描述固体与液体之间的吸附作用[15]，其形式为：

q=Gc  （8）

其中，q表示固体中吸附组分的浓度，G表示吸附常数，c表示液体中被吸附组分的平衡浓度。

2.3 节点物料平衡模型

五区SMB中每个区域的物料平衡关系如下：

洗脱液入口

Q=Q+Q

C（t，z=0）=  （9）

提取液1提取口

Q=Q-Q

C（t，z=0）=c（t，z=L） （10）

提取液2提取口

Q=Q-Q

C（t，z=0）=c（t，z=L） （11）

原料进料口

Q=Q+Q

C（t，z=0）= （12）

提余液提取口

Q=Q-Q

C（t，z=0）=c（t，z=L）（13）

其中，Q、Q、Q、Q、Q分別为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ区的流量;Q、Q、Q、Q、Q分别为洗脱液、提取液1、提取液2、进料、提余液的流量;C为组分i的进口浓度;z=0和z=L分别为第j区的进、出口位置;C和Q分别为进料中组分i的浓度和流量。

2.4 模型求解

笔者利用CADET?SMB软件包（2.12版）对SMB的数学模型进行数值计算。CADET?SMB软件是采用连续相方法（CFD）与离散相方法（DEM）相结合的方法来求解SMB数学模型的。CFD方法主要用于SMB中流动相的模拟，用于计算流动相的速度、温度及物质浓度等物理量。DEM方法则主要用于SMB中固定相的运动模拟，用于计算颗粒的轨迹、速度、运动状态及形态变化等[16]。

3 区域中的柱数对SMB分离性能的影响

为了研究区域中不同色谱柱数量对五区SMB分离性能的影响，笔者考虑了1?1?1?1?1、2?2?2?2?2、3?3?3?3?3这3种色谱柱配置。为了比较，对这3种柱配置采用相同的操作条件进行分离实验，仿真实验结果如图3～5所示，计算结果见表1。

从图3～5和表1可以看出，五区SMB分离三元混合组分时，对于中间保留组分（提取液2）的分离纯度较低，这是由于该组分处于前后两种组分之间，而且通常具有与前后两种组分相似或相近的物化性质，使得在分离过程中很难被完全分离。此外，中间组分通常被前后两种组分夹在中间，导致其脱附速率慢，难以达到较高的纯度[17]。与另外两种色谱柱配置相比，五区五柱SMB具有以下优点：可以缩短处理时间，提高整个过程的处理效率;使用的柱子数量较少，这意味着使用的吸附剂较少，能够降低运行成本[18]。同时，由表1可知，五区五柱SMB能够以较少的提余液、提取液1纯度牺牲获得较高的提取液2纯度，而且能够提高提余液在每个切换时间的生产率。接下来，针对五区五柱SMB中间组分分离纯度较低的问题，笔者采用一种先进的SMB技术（Modicon工艺）并利用PSO算法对SMB的操作参数进行优化。

4 采用Modicon工艺提高SMB的分离性能

笔者利用Modicon工艺提高传统五区五柱SMB的分离效率，与传统进料策略相比，Modicon进料策略可以在切换周期内改变进料浓度，但它保持平均总进料浓度与传统进料策略浓度相同[19]。图6显示了两种不同的Modicon模式：

a. 在0～t（t为切换时间）内，进料浓度为1.00 g/m3，在t～t内，进料浓度为1.75 g/m3，在t～t内，进料浓度为0.25 g/m3，这种进料模式称为Modicon1;

b. 在0～t内，进料浓度为0.50 g/m3，在t～t内，进料浓度为1.50 g/m3，在t～t内，进料浓度为1.00 g/m3，这种进料模式称为Modicon2。

在Modicon1与Modicon2进料策略下，三组分的分离仿真图分别如图7、8所示[20]。Modicon进料策略与传统进料策略下的分离情况见表2。

由图7、8和表2可知，在相同的分离条件下，采用Modicon1工艺显著提高了传统SMB工艺的分离性能，使得提取液2的分离纯度从69.357 9%提高到了83.797 5%，提升幅度为20.82%，提取液1在每个切换时间的生产率也有了较大提升，提升幅度达到了31.29%。但是，采用Modicon2工艺对传统SMB工艺的分离性能影响并不显著[21]。

5 五区五柱SMB操作参数的优化

PSO算法是通过模仿鸟群或鱼群等生物的聚集行为而提出的一种启发式优化算法。PSO算法的基本思想是：一群“粒子”在搜索空间中漫游，并在每次迭代时更新其速度和位置，向其个体最佳位置和群体最佳位置收敛，从而达到全局最优解[22]。

笔者利用PSO算法对五区五柱SMB的操作参数进行单目标优化，以提取液1、提取液2和提余液三者的生产率加和后最大化为优化目标，限制条件设置为提取液1、提取液2和提余液三组分的分离纯度分别高于99.00%、69.46%和97.50%，通过仿真实验对五区五柱SMB的操作参数进行优化，优化的参数包括色谱柱长度L、切换时间t、流量回收率Q、进料流量Q、洗脱液流量Q、提取液1流量Q、提取液2流量Q。经过20次迭代后，算法收敛，优化后的三组分分离仿真图如图9所示，优化结果见表3[23]。

从图9和表3中可以看出，经过算法优化，各组分的生产率都得到了较大提升，提升幅度都达到了80%以上，提取液2的纯度也从69.357 9%提升到了74.929 3%。

6 结束语

三元混合物的分离在生物制药、食品加工、环保及化工等生产领域中得到了广泛的应用，笔者在传统SMB技术上进行改进，利用五区SMB来分离三元混合物。为了分析区域中的色谱柱数量对分离产品纯度的影响，采用了1?1?1?1?1、2?2?2?2?2、3?3?3?3?3这3种色谱柱配置排列，从仿真结果可以看出，五区五柱SMB对三元混合物的分离效果是最好的。同时，为了提高五区五柱SMB对中间保留组分的分离能力，笔者采用一种先进的SMB技术（Modicon工艺）并利用PSO算法对SMB的操作参数进行优化。结果表明，以上两种方法都可以提高五区五柱SMB的分离效率和产品质量，改善五区五柱SMB对中间保留组分的分离效果。

参 考 文 献

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（收稿日期：2023-06-29，修回日期：2024-04-19）

Simulation Study on Improved SMB Process for the Separation of Ternary Components

CHEN Yu?huan， LI Ling

（School of Information Engineering， Shenyang University of Chemical Technology）

Abstract   Making use of five?zone simulated moving bed（SMB） process to separate the performance of ternary components was implemented， including adopting three column configurations（1?1?1?1?1， 2?2?2?2?2， 3?3?3?3?3） to analyze effect of the number of columns in the zone on the purity of the separated products. In addition， for purpose of improving the five?zone and five?column SMBs separation performance，

（Continued on Page 534）