离子交换移动床模拟实验装置的建立及其应用测试

　　摘 要：采用13根色谱柱制作安装了简易的模拟移动床实验装置，配合强酸阳离子色谱分离树脂，用于果葡糖浆的分离实验，证实达到了连续分离的效果，可用于树脂的测试评价。?
　　关键词：模拟移动床；色谱分离；树脂?
　　
　　0 前言?
　　
　　模拟移动床技术是采用阀切换的方式来模拟实现固定相与流动相的相对移动，从而实现连续操作的一种色谱分离手段。该技术自20世纪60年代问世以来，经过40多年的，尤其是近10年来在自动控制及离子交换技术上取得的进步，使得该装置越来越多地应用于各个领域，如从C8化合物中分离制备二甲苯；稀土元素的分离；糖业上果糖与葡萄糖的分离等等。我们为了对应用于连续色谱分离的树脂进行测试及优化，根据工业模拟移动床的原理及特点，自制了一套13柱模拟移动床实验装置，并进行了色谱分离树脂用于果葡糖分离的实验。?
　　
　　1 实验部分?
　　
　　1.1 模拟移动床的结构组成?
　　1.1.1 色谱柱?
　　色谱柱由13根Ф18×1000的不锈钢管组成，呈环状排列并垂直安装于实验装置的框架上，柱两端旋入特制的加有不锈钢滤网的活节，起承托树脂的作用。活接两头再旋入一个一端带短管的小型不锈钢球阀。最后用耐压胶管将各柱串联起来，组成一个循环系统。色谱柱的数量可根据实验需要进行增添。?
　　1.1.2 控温系统?
　　
　　为便于根据实验需要，调控柱内温度，色谱柱采用外缠绕电热带及石棉布，采用热电阻为测温元件，通过温度指示控制装置自动控温。?
　　1.1.3 进料系统?
　　设原料液、提纯液、洗脱剂三个储罐，采用带液位计的不锈钢罐制成，每个罐上部各有3个接口，用于加料，通氮气及放空。?
　　1.1.4 流体驱动系统?
　　因色谱分离柱流体阻力较大，本装置采用了高压氮气作为流体驱动力。钢瓶中的氮气通过减压阀进入缓冲罐，再分配到各个储液罐。?
　　1.1.5 管路切换方式?
　　管路切换采用人工手动方式，即关闭阀门后，将胶管从原接管头上拔下，套接到需要接入的色谱柱的相应接口上。?
　　1.2 果糖-葡萄糖分离试验及测试。?
　　1.2.1 待分离原料液?
　　原料液为果糖和葡萄糖的混合溶液，由山东省某淀粉糖生产提供。已经过脱色、离子交换精制，为无色透明液体。其组成经分析见表1。?
　　
　　1.2.2 分析方法?
　　用比旋光度测定法分析混合糖液的组成。所用仪器为ADP220型自动旋光仪，英国B+S公司。?　　1.2.3 分离用树脂材料?
　　色谱分离树脂选用淄博东大化工股份有限公司生产的FLC-10钙型阳离子交换树脂，其主要性能指标如下：?
　　
　　新树脂装柱后用纯水淋洗至电导率在20us/cm以下。当混合糖浆进入分离柱时，水分子通过氢键与单糖分子的羟基形成配合物。由于果糖分子具有两个伯醇羟基，所以形成的配合物的稳定性要比葡萄糖的稳定性要高。所以在流洗过程中葡萄糖G首先流出，称为吸余物；果糖F在其后流出，称为吸附物；从而达到分离目的；纯水W做为洗脱剂。?
　　1.3 模拟移动床实验装置的运行方法?
　　1.3.1 色谱柱功能区划分?
　　13根色谱柱按功能的不同划分为吸附区（5根柱）、提纯区（4根柱）、洗脱区（4根柱），见图1所示。
　　1.3.2 操作方法?
　　原料液F+G流入9号柱，经过吸附区发生吸附分离。吸附能力弱的葡萄糖G从第13号柱的下方流出，并进行收集。此后流出糖液质量分数逐渐增大，其中的果糖F比例也逐渐升高。吸附区的上游是提纯区，自5号柱流入提纯液F+W，将提纯区各柱中的原料液F+G置换为提纯液F+W。被置换的F+G进入吸附区。在提纯区的上游是洗脱区。洗脱剂W从1号柱加入，置换出洗脱区中的提纯液F+W，并且解吸出树脂中吸附的果糖F，使之随洗脱剂W一起从4号柱下方流出。洗脱区与提纯区，吸附区与洗脱区之间的管道需关闭。?
　　当吸附区流出的糖液中果糖超过规定值时，停止从13号柱出口处收集流出液，使其流出入1号柱，切换为下一个操作周期。此时2号到5号为新的洗脱区，6号到9号为新的提纯区，10号到1号为新吸附区。每当吸附区流出液中果糖含量超过预定值时，就顺序切换为下一个操作周期。每根柱子通过管路切换，轮流完成原料糖输入、提纯液输入和排出、洗脱水输入、葡萄糖富集液的输出和收集、果糖富集液的输出和收集，从而达到模拟移动床的效果。?
　　
　　
　　2 结果与讨论?
　　
　　将质量分数为44.7%的果葡糖浆加入原料罐。纯度已提至80%以上的富果糖浆加入提纯液罐。电导率小于2us/cm的纯水加入洗脱剂罐，设定温度为60摄氏度。将氮气通入缓冲罐中，保持压力为0.15-0.2MPa，开启各进料管线，控制吸附区的流出液流量为4-5ml/min。在吸附区出口处收集葡萄糖液，在洗脱区出口处收集果糖液，测定其中糖液的含量及纯度。得到如下结果。?
　　
　　以上结果显示出该模拟移动床实验装置，已基本实现了果葡糖浆的连续分离，分离后的纯度符合85%以上（葡萄糖）的要求。?
　　
　　3 结语?
　　
　　建立的离子交换移动床模拟实验装置，采用钙型苯乙烯系强酸阳离子交换树脂FLC-10做分离固定相，通过人工切换操作，来达到模拟移动床的运行工况，对应用于糖醇行业同分异构体的分离、生化发酵产品分离等领域的离子交换树脂选型测试等具有一定价值。?
　　
　　参考?
　　
　　［1］?Schenck F W，Hebeda R E. Starch Hydrolysis Products ［M］. New York：VCH Publishers Inc.1992，341.?
　　［2］?叶振华，宋清，朱建华.色谱基础理论和应用［M］.北京：石化出版社，1998：7-23.?
　　［3］?刘佐才，侯平然.北京理工大学学报［J］.2001，21（6）：782-785.?
　　［4］?徐以撒，杨柳新，徐鸽.江苏工业学院学报［J］.2003，15（4）：22-24.?
　　［5］?李兆星，蔡振国.化学推进剂与高分子材料［J］.2006，4（5）：61-63.?
　　［6］?张红丽，柳春辉，明永飞等.分析测试技术与仪器［J］.2005，11（2）：83-89.?
　　［7］?李湘，李忠，奚红霞.离子交换与吸附［J］.2001，17（2）：97-103.