基于模拟移动床科研成果开发创新实验项目

吕海霞， 陈明杰， 危 凤， 张华星， 钱桂敏

(1.浙江大学宁波理工学院 生物与化学工程学院，浙江 宁波 315100;2.浙江医药高等专科学校 中药学院，浙江 宁波 315000)

0 引 言

模拟移动床(simulated moving bed,简称SMB)是美国环球油品公司在1961年提出的一种分离技术，用于C8芳烃分离。该技术实现了色谱分离的连续操作，与常规的制备色谱和工业色谱相比，分离能力强，分离效率高，溶剂消耗低，且易实现自动化，逐渐在制药工业、精细化工以及生物制品等领域有广泛应用，尤其在手性药物和天然产物分离纯化方面有大量应用。色谱这种高效的分离手段，不再局限于分析，而是逐步在新的分离领域得到制备和生产规模应用，大型模拟移动床设备每年制备量达100万t。随着这些领域对分离技术的要求越来越高，SMB技术的发展空间和工业化应用前景更加广阔。

SMB分离制备是我院的重要科研方向，研究这项技术已10多年，先后对生育酚、辅酶Q10、紫杉醇、辣椒碱、芍药苷、深海鱼油、柔红霉素、子囊霉素、奥利司他、奥美拉唑等体系的分离纯化做过深入研究，取得丰硕的科研成果，承担了10余项科研项目，发表科研论文30多篇，申报发明专利11项，并成功开发两套各项技术指标达到国内外同类产品水平的SMB装置和SMB模拟软件[1-4]。其科研成果已与相关企业合作，成功实现了产业化应用。

将SMB这项优质科研成果转化成切实可行的专业实验教学项目，既能积极推动实验教学改革和创新，又能有效提升学生综合实践能力和科研创新能力，契合我校高素质应用型人才的培养目标。

1 已有的SMB实验教学基础

我院在模拟移动床分离技术的研究中始终贯穿着学生的培养，该领域先后指导了6名研究生和39名本科生的毕业设计课题，积累了丰富的教学经验[5-6]。该技术与制药工程专业知识紧密相关，涉及多项专业实验技能，在专业实验中已开设许多相关的实验项目，比如：离子交换法提纯混合生育酚实验，用离子交换树脂对混合生育酚进行提纯，并用薄层色谱分析产品，让学生掌握离子交换分离技术和薄层色谱的基本原理及操作方法。还有制备液相色谱分离生育酚各组分和高效液相色谱分析生育酚各组分纯度和含量两个实验，让学生熟悉制备液相色谱基本结构和操作步骤的基础上，掌握制备色谱流分切割和循环进样技术，将切割得到的各个流分再用高效液相色谱进行定量分析，使学生掌握高效液相色谱的基本原理和操作[7]。以上教学实践，可以保证循序渐进地开发模拟移动床分离提纯生育酚实验项目[8]。

2 开发创新型SMB实验

生育酚又称维生素E，是人体必需维生素之一。天然生育酚是一种具有右旋光学活性的混合物，有α-,β-,γ-,δ-四种同系物，α-生育酚是其中生理活性最高的组分。天然生育酚的活性远远高于合成生育酚，所以市场需求量连创新高，时常供不应求，我国生育酚市场发展空间巨大。

高纯度的天然生育酚是很好的医药品和保健品。天然生育酚的提纯和分离方法主要有超临界CO2萃取法、溶剂萃取法、皂化法、蒸馏法、尿素络合法、氢化法和色谱法。其中色谱法能得到含量很高的生育酚，甚至得到各生育酚纯组分，主要用在生育酚同系物中各单体的分离中，这些方法有薄层色谱、柱色谱(常见的有离子交换法和吸附法)和液相色谱[9]。高纯度生育酚的提纯工艺研究，不仅具有学术价值，而且具有工业应用价值。模拟移动床色谱技术可以连续生产，比较适合于生产高纯度单体。我院老师用模拟移动床色谱分离天然生育酚，目标产物ɑ-生育酚的纯度和回收率都达到97%以上。

2.1 实验原理

图1所示的类比有助于理解模拟移动床分离原理。普通色谱分离是由于强、弱吸附组分在液固两相中的吸附平衡关系不同，使得强弱组分能够先后流出色谱柱。各组分迁移速率存在差异，这点像龟兔在跑带上赛跑，一定时间后龟兔会得到分离。如果连续不断地在起点(色谱柱入口)放入龟兔(强、弱吸附组分)，在跑带终点(柱子出口)只能得到龟兔的混合物。然而，如果将跑带往后移动，且移动速率介于龟兔运动速率之间，则乌龟会随跑带往后移动，而兔子仍往前移动。故此时若在跑带中央连续不断地放入龟兔，在跑带两端就分别得到乌龟和兔子。将这一原理运用到吸附和色谱分离中，需要固、液两相逆向移动，模拟移动床概念应运而生。

图1 模拟移动床分离原理

将多根色谱柱首尾相接成一闭环系统，进料液和洗脱液入口与萃取液和萃余液出口将之分为四个不同的功能区，如图2所示。每隔一定时间Δt，所有柱子往后移动1根柱长，或者4股物料进出口位置分别沿流动相方向切换至下一根柱子出口，则可实现固定相与流动相之间的逆流效果。如果柱子无限短，且柱子移动速率无限快(或物料进出口位置切换无限快)，就能实现液固两相的连续逆流效果。实际操作中，各区流速与切换时间等操作条件选择恰当，可从萃取液和萃余液出口分别连续获得强吸附和弱吸附两个产品。

1～8：色谱柱编号 A：强吸附组分 B：弱吸附组分

2.2 实验内容

模拟移动床原理较难懂，分离条件设计复杂，一般需要经过较长时间学习和琢磨。为了充分兼顾学生的理论知识基础和接受能力[10]，安排以下4个实验环节，①观察实物，理解模拟移动床液固逆流的两种不同实现方式；②通过模拟软件考察浓度谱带在床层内的运行特征，理解模拟移动床的分离原理；③结合用传统4区模拟移动床色谱分离混合生育酚的任务，师生一同现场讨论分离工艺，布置学生设计分离条件，并做实验准备；④操作并完整运行实验，讨论分离结果，撰写实验报告。

2.3 实验仪器

本实验模拟移动床系统采用德国KNAUER公司产的CSEP®9116，色谱柱是大连依利特公司产的ODS硅胶柱，硅胶粒径10 μm，柱子尺寸φ10 mm×100 mm，8根。分析用Knauer高效液相色谱仪(K-501泵，K-2501紫外-可见波长检测器，色谱柱C18柱)和Eurochrom2000色谱数据工作站。

试验器材还有电热恒温鼓风干燥箱、双频超声波清洗机、旋转蒸发仪、电子天平、真空过滤器、减压泵等。

2.4 实验步骤

原料是35%的混合生育酚，主要含有4种生育酚同系物和前杂、后杂。先进行原料预处理，通过柱层析的方法，去除后杂，之后运用模拟移动床分离技术分离掉前杂组分，从而获得高纯度的生育酚。

2.4.1原料预处理

这一步在离子交换法提纯混合生育酚的实验中已经完成，将收集到的流出液与甲醇配制成生育酚料液备用。

2.4.2生育酚在ODS上平衡常数的测定

取配好的生育酚料液进液相色谱分析，见图3(组分f为α-生育酚)，记录各组分的出峰时间，计算ODS柱孔隙率和生育酚在ODS上的平衡常数，得出平衡常数K与流动相组成的关系。

2.4.3模拟移动床分离生育酚

(1) 将预处理后的生育酚原料液用偏氯膜真空过滤，超声脱气后备用。

(2) 采用一级色谱纯甲醇配制流动相。

(3) 通过测量得到的数据，结合三角形理论法计算得到操作条件；开启模拟移动床，开启各泵及时间切换开关，设定各泵流速，调节其参数直至均达到准确流量，然后稳定模拟移动床系统。

图3 混合生育酚产品液相分析谱图

(4) 收集样品。切换时间为5 min，第一次先切换两个循环(切换8根柱子为一个循环)，即80 min后，待系统达到稳定，在萃取液、萃余液和IV 区出口用锥形瓶收集样品，每组样品需从一次切换开始收集，到第二次切换结束时停止收集，每隔一段时间收集一组，收集若干组，用HPLC分析或TLC分析组成。

(5) 结果分析。收集完样品后关闭模拟移动床的电源，用TLC分析样品，根据图谱显示的信息分析调整操作条件，进行下一组实验，直至得到纯度较高的生育酚(TLC上看不到前杂和后杂)。最后用HPLC分析萃取液和萃余液样品(见图4)，直至得到纯度大约98%的α-生育酚。

图4 萃取液、萃余液的液相分析谱图

本实验通过现场实物对比和计算机仿真，加深学生对SMB原理的理解。离子交换法提纯混合生育酚、制备液相色谱分离生育酚各组分和本实验形成色谱技术的系列实验，强化学生对色谱技术理解及应用，同时使学生熟练掌握了高效液相色谱、薄层色谱的分析操作方法；不同色谱实验结果的分析对比使学生对SMB这一先进技术体会深刻，激发了学生的探索兴趣，受到学生的一致认可和好评。

3 实践效果

引入模拟移动床分离提纯生育酚应用创新型实验使我院的制药工程专业实验在同行中具有独特性和先进性，实践效果良好[11-12]。

3.1 学生收获大

模拟移动床色谱价格昂贵，操作难度大，国内罕有高校在本科实验教学中引入该分离技术。学生接触这项前沿的分离技术及设备，增进了他们对专业的了解和热爱，增强了学生的专业信心，激发了学习兴趣。掌握和了解这一技术的学生，可有效拓宽专业知识领域、提高实践创新能力，增加就业竞争力。

3.2 教学育人收获大

该SMB实验项目体现了我院的科研特色，将实验教学与科研热点和工程应用紧密结合，促进了科教融合，推动了科研育人[13-14]；结合专业特点和人才培养目标形成的与课程体系融为一体的该实验项目是对原课程的有益补充和深化，优化了专业实验教学体系，提高了本科生教学质量。

3.3 实验开发空间广阔

模拟移动床分离技术复杂，在“教-学-研”三方面都有具有较大的探索空间[15-16]。通过分组学生以团队协作的方式开展实验，实验耗时长，适合引导学生深入思考，反复实验，从而真正培养学生的科研思维能力和创新实践能力。本实验可以进一步以α-生育酚的纯度和回收率为目标，研究进样浓度、进料量和各区流速对模拟移动床分离α-生育酚的影响，从而得到该工艺最优的操作条件，通过毕业设计、科研项目等实践平台引导感兴趣的学生继续深入探究，不断提高自身的综合能力。该实验项目也可作为研究探索型实验在我院生物工程、化学工程与工艺专业或他校相关专业推广，扩大学生受益面。

4 结 语

模拟移动床分离技术体现了我院的学科优势，将创新特色实验模拟移动床分离提纯生育酚引入制药工程专业实验，成功实现优质科研资源转化为实验教学，丰富了实验内容，提升了实验教学质量，推动省级重点实验教学示范中心的教学建设。该实验项目的开发集中体现了我院省重点实验教学示范中心“教-学-研”一体化的创新实验教学体系的建设思想，突出了我院的市重点特色专业制药工程的专业亮点。实验项目的开展既提升了任课教师的教学素质和能力、又提高了学生的理论知识和动手实践能力，真正实现教学相长，推动了人才培养模式的改革创新，有助于学校高素质应用型人才的培养。