姜夏偉，王亞軍，鄭裕國

（1.浙江工業(yè)大學(xué)生物工程研究所，浙江 杭州 310014；2.浙江工業(yè)大學(xué)生物轉(zhuǎn)化與生物凈化教育部工程研究中心，浙江 杭州 310014）

模擬移動床色譜技術(shù)分離果糖研究進(jìn)展

姜夏偉1，2，王亞軍1，2，鄭裕國1，2

（1.浙江工業(yè)大學(xué)生物工程研究所，浙江 杭州 310014；2.浙江工業(yè)大學(xué)生物轉(zhuǎn)化與生物凈化教育部工程研究中心，浙江 杭州 310014）

主要綜述了模擬移動床（Simulated Moving Bed，SMB）色譜分離技術(shù)從果葡糖漿中分離果糖的應(yīng)用研究進(jìn)展。從工作原理、固定相、閥系統(tǒng)、自動化控制、數(shù)學(xué)模型及工藝參數(shù)優(yōu)化等方面對SMB技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，為我國的高純果糖漿和結(jié)晶果糖的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考意見。

果葡糖漿；SMB；色譜分離

前言

果葡糖漿是一種重要的淀粉糖產(chǎn)品，可作為代替蔗糖的甜味劑廣泛應(yīng)用于飲料及烘焙等食品行業(yè)。果葡糖漿中含有大量果糖，果糖具有相對甜度高、甜味獨(dú)特、溶解度大的性質(zhì)，與其他甜味劑之間有協(xié)同作用，更重要的是，果糖食用后不引起血糖波動。此外，果糖具有良好的代謝特性和滲透壓特性，可被制成注射液用于心血管病、糖尿病、腦顱病及肝的治療，在制藥行業(yè)結(jié)晶果糖需求逐漸增大。在工業(yè)生產(chǎn)中，果糖是生產(chǎn)乙酰丙酸、糖脂，特別是5-羥甲基糠醛的重要原料。目前國內(nèi)果葡糖漿F-42的市場已逐漸飽和，發(fā)展空間有限，而我國的結(jié)晶果糖主要靠國外進(jìn)口，國內(nèi)僅少數(shù)公司開始生產(chǎn)，具有極大的市場前景。

規(guī)?；苽涔堑脑贤ǔ６际枪咸菨{。果葡糖漿按照來源分為三類：1）含淀粉量高的作物如玉米、番薯等；2）含蔗糖量較高的作物如甘蔗、甜菜等；3）富含菊粉的植物如菊芋、菊苣和大麗花等。針對不同的原料，果葡糖漿的生產(chǎn)方法也不同，得到的果葡糖漿也不相同。根據(jù)果糖含量，果葡糖漿可分為F-42、F-55和F-90。由于果糖與葡萄糖互為同分異構(gòu)體，在結(jié)構(gòu)和物理特性方面十分相似，所以從果葡糖漿中分離純化果糖難度較大。因此，高品質(zhì)果糖生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是果糖分離技術(shù)。模擬移動床（Simulated Moving Bed，SMB）色譜分離技術(shù)在果糖純化應(yīng)用上越來越廣泛，本文對SMB色譜分離技術(shù)在果糖分離方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 SMB色譜分離工作原理

1.1 果糖色譜分離原理

色譜分離法是目前普遍采用的果糖分離方法，是利用β-D-吡喃果糖和β-D-吡喃葡萄糖與陽離子親和力的差異實(shí)現(xiàn)分離的目的。其工作原理如圖1所示［1］，（a）為理想的陽離子和糖的結(jié)合模型，相鄰的羥基具有2對軸向-平伏的排列（ae），沒有平伏-平伏的羥基排列（e-e）。Goulding研究發(fā)現(xiàn)，相鄰羥基的a-e排列與陽離子的結(jié)合能力遠(yuǎn)大于e-e排列，即a-e排列越多，結(jié)合越牢固，如（b）β-D-吡喃果糖有兩對不相鄰的a-e排序，而（c）β-D-吡喃葡萄糖沒有a-e的排序。

圖1 果糖和葡萄糖與金屬離子結(jié)合模型

文獻(xiàn)報(bào)道的果糖分離方法還有結(jié)晶分離法、氧化分離法、液液萃取法、參數(shù)泵分離法等，分別基于結(jié)晶差異、化學(xué)性質(zhì)差異、溶解度差異和分配差異等原理進(jìn)行分離，與色譜分離法相比，這些方法存在生產(chǎn)周期較長、不能連續(xù)化生產(chǎn)、操作繁雜、污染大、純度低等缺點(diǎn)。近年來，離子液體分離法、生物發(fā)酵法和化學(xué)催化法等技術(shù)也被用于果糖分離。Al Nashef等［2］通過離子液體得到沉淀果糖純度＞99%；Putra等［3-4］利用Saccharomyces cerevisiae選擇性發(fā)酵葡萄糖，得到高純度果糖漿（95.4%～99.9%）和乙醇；利用催化劑催化葡萄糖提純果糖，其催化劑包括三氯化鉻、Sn-Beta沸石、堿、鋁碳酸鎂等等，但這存在副反應(yīng)，增加色值和雜質(zhì)等缺點(diǎn)，一般需要高溫反應(yīng)，選擇性和得率有待提高。

1.2 果糖SNB色譜分離工作原理

果葡糖漿的色譜分離方法中SMB色譜分離技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位。20世紀(jì)80年代，美國UOP公司開發(fā)了Sarex工藝，采用填充Ca2+的離子交換樹脂或分子篩分離介質(zhì)的SMB用于分離果糖與葡萄糖，并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化、工業(yè)化，使F55、F90果葡糖漿的生產(chǎn)得到迅猛發(fā)展。后來，SMB色譜分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于其他糖類、氨基酸、手性化合物、有機(jī)酸、抗生素、單克隆抗體等的分離純化。

模擬移動床技術(shù)是由真實(shí)移動床（True Moving Bed）技術(shù)發(fā)展起來的。20世紀(jì)40年代后期出現(xiàn)了TMB技術(shù)，其原理是在分離過程中使固定相以適宜的速率向與流動相流動相反的方向移動，從而達(dá)到提高分離效率，縮短非吸附操作時(shí)間的目的，但存在著固定相移動困難、磨損嚴(yán)重等問題，最終誕生了模擬移動床技術(shù)。SMB系統(tǒng)通過多根色譜柱的串聯(lián)，利用閥切換技術(shù)改變料液進(jìn)出口位置，模擬TMB逆流連續(xù)的分離過程（圖2）。

圖2 四區(qū)模擬移動床示意圖

SMB技術(shù)在果糖分離中具有很多優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)分離；果糖純度和收率高；樹脂利用率高，資源消耗少，僅需要水和少量電；生產(chǎn)工藝污染低等。但也存在一些缺點(diǎn)，包括設(shè)備昂貴、操作要求高、自動化要求高等。

目前SMB色譜裝置已成為果糖行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)裝備，分離果糖的SMB設(shè)備的主要生產(chǎn)商為美國UOP公司，法國NOVASEP公司，美國Calgon Carbon公司和日本東京Nippon Rensui公司等。我國的SMB設(shè)備主要來源于國外引進(jìn)，國內(nèi)也在積極開發(fā)SMB設(shè)備，但多處于實(shí)驗(yàn)室水平。張麗莉等［5］建立了20柱4區(qū)SMB系統(tǒng)進(jìn)行了果葡糖糖漿的分離，果糖純度95%以上；蔡振國等［6］自制了13柱SMB簡易系統(tǒng)，分離得到的葡萄糖純度達(dá)85%以上；曹龍奎等［7］利用自制3-3-2-4四區(qū)SMB系統(tǒng)對HFCS-42進(jìn)行分離，優(yōu)化了操作參數(shù)，最終得到的果糖純度達(dá)到99.91%，得率80.32%，葡萄糖純度92.34%，得率90.13%。

2 SMB系統(tǒng)

2.1 固定相

對于SMB分離技術(shù)，固定相和流動相的選擇至關(guān)重要。由于流動相通常采用純凈水，因此，固定相的選擇尤為重要。固定相直接影響吸附選擇性、保留時(shí)間和載量。

最早用于果糖和葡萄糖分離的是分子篩。固定K+的X型沸石對葡萄糖具有吸附作用，而固定有NH4+、Na+、Ca2+或Ba2+離子的沸石對果糖具有吸附選擇作用。

目前廣泛應(yīng)用的分離介質(zhì)是離子交換樹脂，其較沸石具有更好的穩(wěn)定、均勻性及再生性能。離子交換樹脂按離子類型可分為陰離子樹脂和陽離子樹脂兩大類，按孔隙結(jié)構(gòu)可分為大孔型樹脂和凝膠型樹脂。強(qiáng)酸性陽離子樹脂普遍用于果糖的色譜分離，有報(bào)道指出陰離子樹脂也可用于果糖分離，但分離效果遠(yuǎn)不如陽離子樹脂。Dowex Monosphere樹脂廣泛用于色譜分離，而Duolite C 20×4、Amberlite IR-120B、Permutit Q和Duolite C 25等樹脂被用于果糖檢測。國內(nèi)報(bào)道的用于果葡糖漿色譜分離的樹脂主要是Purolite PCR642Ca、浙江爭光ZGSPC-106Ca、淄博東大化工FLC-10、羅門哈斯公司CR1320Ca、凱瑞化工KS406、江蘇蘇青水處理工程集團(tuán)DTF-01和大慶石化總廠研究院DX-4型吸附劑。

樹脂的選擇性和傳質(zhì)系數(shù)是色譜分離性能極為重要的判斷依據(jù)。對于固定床色譜，通常好的吸附劑要求對目標(biāo)物質(zhì)具有較大的吸附容量。而SMB色譜卻不然，對樹脂的利用率要求高，要求樹脂吸附-解吸速度快，即傳質(zhì)系數(shù)k較大，對應(yīng)的吸附容量一般，這有利于SMB分離。色譜分離中樹脂的吸附選擇性越高，分離效果越好。通過靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)?zāi)苡?jì)算出果糖和葡萄糖在固相和液相中分配系數(shù)（線性等溫），兩者的比值即為分配比（F/G）。分配比數(shù)值越大，樹脂對果糖的選擇性越高。表1列出了一些果糖色譜分離樹脂的相關(guān)參數(shù)。不同樹脂在不同溫度下，分配比各不相同，如樹脂Dowex Monosphere 99/Ca在298 K下的果糖與葡萄糖的分配比為2.14，比樹脂Diaion UBK555的1.92（298 K）稍高，更高于樹脂Amberlite CR1320Ca的1.46（333 K），Purolite PCR642Ca的1.57（303 K）和1.55（333 K）等。隨著溫度升高，果糖和葡萄糖在樹脂內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù)k逐漸上升，但果糖與葡萄糖的分配比會逐漸下降，如表1中的Lewatit MIDS 1368樹脂，隨著溫度從25℃上升到60℃，k值分別從0.012、0.015上升到0.015和0.019，果糖與葡萄糖的分配比從2.11下降到1.66，其中當(dāng)溫度達(dá)到60℃及以上時(shí)分配比和k值已變化不大。

果糖色譜分離樹脂一般為以苯乙烯系為骨架具有磺酸基和離子型的凝膠型離子樹脂，樹脂的影響因素主要為粒徑、交聯(lián)度和陽離子等，這些參數(shù)會直接影響樹脂選擇性和傳質(zhì)系數(shù)。

2.1.1 粒徑

離子交換樹脂的顆粒大小和粒徑分布影響色譜柱的填充效果，如堆密度等。粒徑越小，顆粒越均勻，層析柱的理論塔板數(shù)越高，分離效果越好。但粒徑太小，會導(dǎo)致柱壓增高，可能破壞樹脂本身。因此，適宜的粒徑對于產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)極為重要，通常介于150～300μm之間。

樹脂粒徑減小能夠增加其傳質(zhì)速率，比如：樹脂Dowex 21（K）的粒徑從45～75μm減小到15～40μm時(shí)，葡萄糖、蔗糖等的分離效果提高，色譜峰變得尖銳。在研究Dowex 50×8樹脂分離效果時(shí)，其粒徑的從150～300μm減小38～75μm，分離效果和收率增大。

2.1.2 交聯(lián)度

吸附劑的強(qiáng)度也是一個重要的參數(shù)，影響分離性能，尤其在最大的進(jìn)樣速度和最小的吸附劑逆流速度時(shí)。交聯(lián)劑用量對孔徑大小、機(jī)械強(qiáng)度、體積交換容量起著調(diào)控作用，影響果糖組分在樹脂中的滲透和擴(kuò)散。另外，果糖色譜分離是基于糖分子具有特殊的構(gòu)型可以與金屬陽離子結(jié)合成具有一定穩(wěn)定性的絡(luò)合物，交聯(lián)度對陽離子在樹脂中的位置結(jié)構(gòu)對色譜分離也具有一定的影響。通常，用于果糖分離的Ca型陽離子樹脂的交聯(lián)度在2%～8%之間。

2.1.3 陽離子

常用的果糖分離陽離子樹脂為Ca型。Goulding根據(jù)核磁共振和電鏡數(shù)據(jù)提出了碳水化合物與金屬離子絡(luò)合的理論，認(rèn)為Ca2+是最佳的選擇。Nobre等［8-9］研究了DowexMonosphere 88和DowexMonosphere 99K/320上果糖、葡萄糖和蔗糖的分配系數(shù)，發(fā)現(xiàn)25℃下Na+和K+上的分配比（F/G）分別為1.07、1.25，40℃下分別為1.01、1.18。

表1 常用樹脂的分配系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)等相關(guān)參數(shù)

2.2 SNB設(shè)備

2.2.1 閥系統(tǒng)

閥系統(tǒng)是SMB設(shè)計(jì)和組建的核心部件，不同的閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接影響操作單元的靈活性及SMB應(yīng)用。靈活的SMB單元可以通過閥切換迅速改變單元構(gòu)造，形成新的單元旁路，開環(huán)操作形式以及能否額外添加柱塔或異步端口切換等。

SMB閥設(shè)計(jì)分為兩大類：中心式和分散式。中心式分為UOP系統(tǒng)和ISEP系統(tǒng)；分散式閥設(shè)計(jì)可分為四-二通閥、2SD1C、1SD1S和1ST1C。其中，2SD1C表示單柱2個SD閥；1SD1S表示單通道單SD閥；1ST1C表示單柱單ST閥。不同的閥具有不同的優(yōu)勢，需要根據(jù)需要合理選擇。

2.2.2 自動化控制

自動化和控制操作單元對于連續(xù)化生產(chǎn)十分重要。很顯然，越復(fù)雜的操作模式，如步切換或者ISMB需要更加復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。目前SMB單元的自動化控制已被廣泛研究，要實(shí)現(xiàn)其連續(xù)自動化，就要深入了解SMB分離操作中在柱和管道內(nèi)的吸附動力學(xué)、流體動力學(xué)、死體積等參數(shù)。

3 SMB色譜分離模型

由于影響SMB分離過程的參數(shù)很多且相互影響，為了研究SMB分離的機(jī)理，解決自動化程度不高和難以確定最佳運(yùn)行點(diǎn)等問題，SMB系統(tǒng)的理論模型是深入研究和優(yōu)化的基礎(chǔ)。

SMB的理論模型一般有兩種研究思路：1）直接對SMB系統(tǒng)建模，固定相不動，考慮周期性地切換改變進(jìn)出點(diǎn)位置，求解復(fù)雜，如利用Node方程；2）將SMB系統(tǒng)等價(jià)于TMB系統(tǒng)，考慮固定相和流動相的逆流流速，得到簡化后的連續(xù)逆流吸附平衡方程。一般模擬得到的方程由吸附等溫線方程、傳質(zhì)速率方程、質(zhì)量守恒方程及初始和邊界條件組成，如平衡擴(kuò)散模型、通用速率模型、混合邏輯動態(tài)模型等。

果糖葡萄糖分離中，TMB模型較動態(tài)SMB模型擬合效果好。Beste等［15］采用8根填充鈣型樹脂的色譜柱組成的SMB，利用靜態(tài)TMB模型、動態(tài)SMB模型和動態(tài)單柱模型進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)TMB模型可較好地預(yù)測模擬分離過程，其中延遲體積對模型參數(shù)影響較大。Lee［12］認(rèn)為TMB模型模擬結(jié)果較SMB模型更符合果糖和葡萄糖的SMB分離過程。

4 SMB色譜分離過程優(yōu)化

在SMB系統(tǒng)的過程優(yōu)化中，三角理論和駐波設(shè)計(jì)是最常用的方法，通過這些方法可以估算模擬SMB層析的最佳工作狀態(tài)，從而對SMB的工作單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行修正，一般可以達(dá)到較好的效果。

用于果葡糖漿分離的SMB設(shè)備一般為傳統(tǒng)的4區(qū)SMB系統(tǒng)，色譜柱數(shù)為8～12不等，主要優(yōu)化參數(shù)為進(jìn)樣濃度、進(jìn)樣量、溫度、切換時(shí)間、洗脫速率、樹脂、色譜柱等等。其中果糖SMB色譜分離溫度一般為50～80℃之間，可以阻止或減少微生物生長，提高溶解度，降低粘度和壓力。一般的色譜柱高徑比在11～30之間。

Beste等［15］對SMB技術(shù)分離果糖和葡萄糖進(jìn)行了優(yōu)化，在保證產(chǎn)量的條件下，發(fā)現(xiàn)通過采用低效率的固定相，同時(shí)降低流速，在分離溫度為80℃條件下，可將吸附劑的耗費(fèi)量減少70%。Mun［18］利用駐波設(shè)計(jì)對SMB分離糖化合物進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)分別改變色譜柱高度和樹脂類型可以提高柱床利用率和產(chǎn)量，其中單獨(dú)增加柱高，收率略微提高。而將Dowex99 resin（320μm）樹脂改換為Amberchrom-CG161C（120μm）樹脂時(shí)，果糖收率提高7倍左右，同時(shí)優(yōu)化固定相和柱高，收率可以提高11倍。Ramani等［19］利用遺傳算法優(yōu)化了SMB分離工藝，針對不同的目標(biāo)進(jìn)行不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可只以果糖的產(chǎn)率和純度為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，也可以同時(shí)優(yōu)化兩種糖的產(chǎn)率和純度。通過協(xié)調(diào)柱高、結(jié)構(gòu)配置、切換時(shí)間、洗脫液和殘余液流速等條件，最后優(yōu)化步切換時(shí)間可以有效的提高純度和產(chǎn)率，吸附劑的使用量減少30%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，利用優(yōu)化步切換后的8柱SMB系統(tǒng)分離得到的果糖純度與產(chǎn)量與12柱SMB系統(tǒng)相當(dāng)。Suvarov等［20］利用離散時(shí)間模型優(yōu)化了SMB分離工藝，調(diào)節(jié)液體流速和改換流向等操作，從而更好地管理柱內(nèi)的吸附和脫附波動，得到較優(yōu)的產(chǎn)率和純度，較好地適應(yīng)果糖-寡糖（線性吸附等溫線）和環(huán)戊酮-環(huán)庚酮競爭性（Langmuir吸附等溫線）的SMB分離。Long等［21］利用四區(qū)域SMB分離D-阿洛酮糖和D-果糖，樹脂為200～400目的Dowex 50WX4-Ca2+，通過吸附平衡方程確定操作條件，得到果糖收率和純度分別為99.06%和99.53%，D-阿洛酮糖收率和純度分別為99.04%和97.46%。Lee［12］根據(jù)果糖和葡萄糖的線性吸附等溫線，通過LDF近似法計(jì)算傳質(zhì)常數(shù)，深入研究傳質(zhì)影響，從而優(yōu)化了SMB的操作工藝，得到果糖純度達(dá)99%以上。

5 展望

隨著SMB技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)可以對三元、四元的組分進(jìn)行分離。反應(yīng)與分離技術(shù)耦合也是SMB技術(shù)發(fā)展的重要方向，如直接偶聯(lián)酶催化工藝和SMB色譜工藝的SMB反應(yīng)器（SMBR）技術(shù)能一步自動化操作就能得到適合結(jié)晶的高純度果糖液，使得果葡糖漿和結(jié)晶果糖的生產(chǎn)更加系統(tǒng)、簡便。隨著對SMB技術(shù)的深入研究，我國的SMB技術(shù)將會快速發(fā)展，除果葡糖漿的分離外，還將廣泛應(yīng)用于生物發(fā)酵、精細(xì)化工、食品醫(yī)藥等領(lǐng)域。

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（責(zé)任編輯：朱小惠）

Advance in fructose separation using simulated moving bed chromatography technology

JIANG Xiawei1，2，WANG Yajun1，2，ZHENG Yuguo1，2
(1.Institute of Bioengineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；2.Engineering Research Center of Bioconversion and Biopurification of the Ministry of Education，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China)

Application of the Simulated Moving Bed(SMB)chromatography technology in fructose separation from high fructose corn syrup was reviewed in this paper.It was systematically introduced in terms of working principle，stationary phase，valve system，automation control，mathematical modeling and process optimization，providing recommendations for domestic crystalline fructose and high purity fructose syrup industry development.

fructose；simulated moving bed chromatography；high fructose corn syrup

TQ02

A

1674-2214(2015)04-0055-06

2015-04-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（21476209），浙江省重大科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（2013C02027）

姜夏偉（1989—），男，浙江蘭溪人，碩士，研究方向?yàn)樯锘ぃ珽-mail：jiangxiawei2012@163.com.通信作者：鄭裕國教授，E-mail：zhengyg@zjut.edu.cn.