第三节　色谱分离

一、色谱分离的发展历程［34～37］

在20世纪初，俄国植物学家茨维特（M.S.Tswett）在研究植物叶子的组成时，采用一根细长的玻璃管，在玻璃管内装入碳酸钙粉末，然后将植物叶子的石油醚萃取液倒入管内。其后，再往玻璃管内倒入纯净的石油醚。结果发现，随着石油醚的向下流动，管内的碳酸钙上分成了不同的颜色条带。经过分析、测定，不同的颜色条带即是叶子的不同组成成分。于是采用这种方法分离了构成植物叶子的叶绿素、叶黄素和胡萝卜素，开创了一种里程碑式的分离复杂混合物的方法。茨维特把这种色带称为色谱，把这种方法称为色谱法，这便是色谱分离技术的起源。图1-16所示为茨维特的试验装置。实验装置中，玻璃管称为色谱柱，柱内填充的固体碳酸钙为固定相，液态石油醚为流动相。

此后，色谱分离技术首先在分析化学领域获得了迅速的发展和应用，用来分离复杂化合物的组分，并进行定性和定量分析，成为分析化学中得到广泛应用的一个重要分支。继茨维特提出经典液相色谱法后，20世纪30～40年代发展了柱分配色谱法和纸上色谱法；50年代开发了气相色谱法和薄层色谱法；60年代出现凝胶色谱法和高效液相色谱法。色谱分离技术在其发展历程中，曾经两次获得诺贝尔化学奖，一次是1948年，瑞典人Tiselins由于发明了电泳和吸附分离法，另一次是1952年英国人马丁（Martine）和辛格（Synge）发明了分配色谱法。他们发展的气-液色谱技术催生了目前使用的许多现代色谱分离分析方法。色谱分离经过半个多世纪的发展，逐渐形成了色谱理论的体系，使色谱分离技术上升为色谱分离科学。在分析化学方面，由于色谱法具有高分离效率、高灵敏度、高选择性以及分析速度快等优点，广泛地应用于生化、制药、食品、环境及石化等领域。

色谱分离技术从实验室走向工业应用，经历了一段较长的时间，真正用于工业规模的分离始于20世纪60年代，是由美国环球油品公司UOP开发的用于从C8芳烃中分离对二甲苯的Parex工艺技术。C8芳烃中含有对二甲苯、邻二甲苯、间二甲苯和乙苯4种异构体，由于其物理化学性质极为相近，很难用普通的精馏和结晶法进行分离。原化工部北京化工研究院曾进行过脉冲柱结晶法分离混合二甲苯的研究。UOP公司采用一种模拟移动床的色谱分离技术，将对二甲苯和其他三种异构体加以分离，以满足聚酯工业对对二甲苯的大量需求。Parex工艺如图1-17所示，它将一个装有分子筛（固定相）的大型吸附柱分为12节，各节间相互串联，并以循环泵及循环管线连接成为回路。一个由液压控制的多路旋转阀，其一侧与4个进、出色谱柱系统的料液管线相连（即进料混合二甲苯、提取液、提余液和洗提液），另一侧和色谱柱的各塔节相连。4条进、出系统的管线，按照工艺要求，相距一定的间隔与塔节相连。4条管线之间的连线通过旋转阀作内部循环。旋转阀每隔一定的时间，保持这种固定的间隔，转动一个角度，使各种液流均相应移动一个塔节。于是，在保持各种液流流量恒定的情况下，原料混合二甲苯连续地进入系统，经过色谱柱分离后的提取液和提余液连续地排出系统，经分馏后回收的洗提液循环再用，从而得到高纯度的对二甲苯产品。

模拟移动床色谱分离技术首次应用于对二甲苯分离之后，其应用领域从石油化工已逐步扩大到糖醇、生化、食品及药物分离等行业。如正构烷烃和异构烷烃的分离、对甲苯酚和间甲苯酚的分离、从C4烯烃混合物中分离1-丁烯、果糖和葡萄糖的分离、葡萄糖和低聚糖的分离、山梨醇和甘露醇的分离、菊粉中提取低聚糖、柠檬酸的提取精制、脂肪酸分离等。到20世纪90年代，随着自动化控制技术的提高，如DCS和PLC工业应用的深入、计算机控制程序的开发成功，模拟移动床色谱分离技术有了新的进展，进一步实现了自动化精确控制，体现出更多的技术优势。

二、色谱分离法的分类和基本原理

1.色谱分离法的分类

（1）按流动相分类　色谱分离有多种不同的分类方法。按流动相的分子聚集状态分类，可分为以下几种。

①GC——气相色谱法（流动相为气体）。

②LC——液相色谱法（流动相为液体）。

③SFC——超临界液体色谱法。

（2）按分离机制分类　按色谱过程的分离机制可分为以下几种。

①分配色谱法　分离原理是基于原料液中各组分在固定相和流动相之间的分配比不同而得以分离。

②吸附色谱法　固定相为硅胶、氧化铝等吸附剂。分离原理是基于原料各组分在固定相吸附剂上的吸附与解吸速度的不同而得以分离。

③离子交换色谱法　以离子交换树脂为固定相。其原理是组分在固定相上发生的反复离子交换反应，利用不同组分与离子交换剂之间的亲和力不同，以及离子半径、电荷的差异而得到分离。亲和力大的组分，保留时间长；亲和力小的组分，保留时间短，出峰较快。

④空间排阻色谱法　以凝胶型树脂为固定相。其原理是按分子的大小来进行分离，小分子可以扩散到凝胶的孔隙内，出峰较慢；大分子不能进入凝胶的孔隙内，被排斥在外，容易通过树脂而出峰较快。

2.色谱分离的基本原理

实现色谱操作的基本条件是，必须具备相对移动的两相，即固定相和流动相。当流动相中携带的混合物流经固定相时，由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间具有不同的亲和力，随着流动相的移动，混合物在两相间经过多次的分配平衡，产生各组分在固定相中滞留时间的差异。对固定相具有较强亲和力的组分，能够进入固定相内部，移动速度较慢，而对固定相具有较弱亲和力的组分，移动速度较快，从而按一定次序先后流出，以达到分离的目的。

图1-18可以简要地说明色谱分离过程。假定以二元混合物A、B的分离为例，且B组分的滞留作用大于A组分。混合物A+B首先进入填充固定相的色谱柱内（位置1），然后注入流动相（洗提剂），当流动相推动A、B向前移动时，由于固定相对A、B组分的滞留作用大小不同，滞留作用小的A组分移动速度较快，走在前面，而滞留作用大的B组分落在后面，A、B两组分在移动过程中，逐渐拉开了距离（位置2）。随着流动相的进一步注入，A、B间的速度差足以使二者可以完全分开（位置3）。在移动到色谱柱末端时，A组分首先排出色谱柱（位置4），继而B组分排出色谱柱（位置5），从而分别得到A和B。在从A、B的流出液中分离出洗提剂后，可得到纯净的A和B组分。

上述色谱分离过程称为间歇式操作（也称批处理色谱）。作为工业制备色谱来说，虽然设备简单，易于操作，分离效率亦很高，但操作周期长，色谱柱的利用率低，因此更多采用的是高效的移动床和模拟移动床色谱分离技术。

三、移动床色谱技术

移动床色谱技术也称真实移动床（true moving bed，TMB）色谱，它的运行和分离原理由图1-19加以说明。

图1-18所描述的色谱分离中，A组分比B组分走得快，于是得到了分离，这与龟兔赛跑的情形相似，可以把A看作兔，把B看作龟。两者的距离会越落越远，最终在同一方向的位置，不同的时间，先后得到兔和龟。这是经典色谱法分离物质的原理。

如果龟兔赛跑是在一条履带上进行的，而且履带的移动方向和龟兔的跑动方向是相反的，于是会出现下述情况。

当履带不动时，设龟的速度为v1，兔的速度为v2，则：

v1<v2

当履带的移动速度v0介于龟兔的运动速度v1和v2之间时，即：

v1<v0<v2

此时，在履带移动和龟兔自身运动的共同作用下，龟的实际移动速度和兔的实际移动速度分别为：

于是，兔的速度虽有减缓，但仍是继续向前（与履带移动相反的方向）移动的，而龟的速度变成了负值，即龟会向履带的移动方向移动，结果是龟和兔在其共同的起跑点上分别向两头移动，兔在往前走，龟在往后退。龟与兔的距离会越离越远，分别从履带的两头掉下来。和龟兔在履带上赛跑的原理类似，假定在一个分离柱内，固体吸附剂自上向下移动，液体洗脱剂由底部泵入自下而上与固体形成逆向流动接触，原料混合液（A+B）由中部连续注入（图1-19）。由于A和B组分吸附亲和力的不同，吸附强的B组分将会随着固体向下移动，而吸附弱的A组分会被液体洗提下来，并随液体向上移动。如果选择一个适当的液体和固体的体积流量比，使色谱柱内的固定相以一个介于A、B两组分迁移速率之间的速度与流动相作反向移动，就像履带在龟兔赛跑中的反向作用一样，A、B两种组分就会分别由固定相和流动相携带向相反的方向移动，则在柱子的下方采出纯B组分，而在柱子上方采出纯A组分，从而实现组分的分离。真实移动床色谱分离于1950年首次由Union Oil Company of California实现工业化应用。它给我们提供了一种新的分离方法。改变了经典色谱法间断进样、批量操作和效率低等缺陷。

图1-19（a）为真实移动床运行示意图。从图中可以看出，在色谱柱内固定相自上向下移动，洗提液自下向上移动，两相作逆向流动接触，并保持连续的循环。含有组分A和B的原料由色谱柱中间的入口连续注入，新鲜的洗提液由Ⅰ区引入。在选择的流速下，与固定相亲和力（滞留作用）强的组分B主要随固定相向下移动，由提取液（extract）出口流出，而与固定相亲和力（滞留作用）弱的组分A主要随洗提液向上移动，由提余液（raffinate）出口流出，从而使组分A和B得到分离，作为产品连续排出系统。当系统运行一段时间后，系统中组分的浓度分布将会达到一种动态稳定状态，图1-19（b）显示了A、B两组分在4个区内的浓度分布图。可以看出，在提取液采出点（Ⅰ区和Ⅱ区的分界处）B组分浓度达到最大，只含有少量的A组分，而在提余液采出点（Ⅲ区和Ⅳ区的分界处）A组分浓度达到最大，只含有少量的B组分。

依据功能的不同，把移动床通常划分为四个不同的区域。

Ⅰ区：在洗提液入口与提取液出口之间，为固定相再生区。在Ⅰ区之前，两种被分离的组分A和B必须从固定相中被全部脱附，以使固定相净化。

Ⅱ区：在提取液出口和进料液入口之间，为B组分浓缩区。滞留作用强的B组分被固定相吸附，随固相移动，滞留作用弱的A组分则被洗提液从固相全部洗脱。从Ⅱ区的提取液出口得到高纯度的B产品。

Ⅲ区：在进料液入口和提余液出口之间。Ⅲ区的作用和Ⅱ区类似，只是滞留作用弱的A组分被从固定相中脱附，随液相移动。B组分则被完全吸附。从Ⅲ区的提余液出口得到高纯度的A产品。

Ⅳ区：在提余液出口和洗提液入口之间，为洗提液再生区。在Ⅳ区两种组分A和B均被吸附，以便使再生的纯净洗提液再循环到Ⅰ区。

为了使移动床色谱分离系统维持稳定的运行，必须保持进、出料液流和各功能区间的流量平衡和稳定。设以QⅠ、QⅡ、QⅢ、QⅣ分别表示Ⅰ～Ⅳ区的流量，QFeed、QExt、QRaff、QEl分别表示进料流量、提取液流量、提余液流量和洗提液流量，则有下列关联式，并以图示意表示在图1-20中。

QⅣ=QⅢ-QRaff

QⅢ=QⅡ+QFeed

QⅡ=QⅠ-QExt

QⅠ=QⅣ+QEl

QExt+QRaff=QFeed+QEl

真实移动床从理论上讲是一种效率极高的色谱分离技术，但在实际生产中，由于固体吸附剂的循环流动十分复杂，同时这种流动会造成固体吸附剂的严重磨损，因此真实移动床在工业生产中很难实施，而代之的是利用它的原理，通过一定的切换序列，模拟固定相和洗提液之间的相对流动的效果，而开发成功的模拟移动床技术。

四、模拟移动床色谱分离［38～43］

模拟移动床的运行原理如图1-21所示。图中1～8编号表示8个小树脂柱，或是一个大树脂柱分为8节，每节为一个独立的树脂床，有管线相互连接。为了简化说明，图中每个区为两个树脂柱，实际运行中各区的树脂柱数量可以是不等的。5、6号为Ⅰ区，7、8号为Ⅱ区，1、2号为Ⅲ区，3、4号为Ⅳ区。流动相洗提液沿顺时针方向流动。图1-21（a）表示t=t0时，此时由1、8号树脂柱间进料（A+B），由4、5号树脂柱间进入洗提液。提取液（B）和提余液（A）则分别由2、3之间和6、7之间采出。经过一定时间Δt后，由阀门切换，转换为图1-21（b）（t=t0+Δt），进料口变换为2、3号树脂柱之间，流动相由6、7号柱之间进入，与此同步，提取液和提余液出口均向前移动两个树脂柱。7、8号柱变为Ⅰ区，1、2号柱变为Ⅱ区，Ⅲ区和Ⅳ区也各向前移动两个树脂柱。

可以看出，固定相在树脂柱中并没有流动，树脂柱本身也没有移动，而是依靠进、出料阀门沿着流动相的流动方向同步、有次序地开启和关闭，等同于固定相向流动相的反方向移动，从而有效地模拟了固定相与流动相的相对逆向流动，达到了真实移动床同样的分离效果。

在模拟移动床制备色谱装置中，通常也将它分为4个区，每个区所起的作用与真实移动床完全一样，如上所述，随着切换阀的转换操作，4个区所在的位置将随时间变化而呈现周期性的改变。

目前，用于工业制备色谱的模拟移动床大体可分为以下三种类型。

（1）传统模拟移动床（simulated moving bed，SMB）　传统模拟移动床通常将一个色谱柱分成8～24节，其特点是系统的进、出料以及洗提液的循环是完全连续运行的。

（2）顺序式模拟移动床（sequential simulated moving bed，SSMB）　顺序式模拟移动床将传统模拟移动床的一步分成2个或多个子步，进、出料以及洗提液的循环是间歇进行的，使用的色谱柱数量较少，可以节省投资。

（3）多槽口分配阀式模拟移动床（multi-port valve continuous countercurrent ion exchange and chromatographic system）　该移动床是由美国AST公司开发的一种连续逆流式离子交换和色谱分离系统，可以同时用作离子交换或色谱分离（用作色谱分离时也称CSEP系统）。它包含若干个填充固定相的色谱柱，色谱柱由一个转盘带动旋转，多槽口分配阀的槽口和色谱柱的进出口相连。随着树脂柱顺序的、周期性的移动和切换，通过分配阀将进料液、洗脱液和提取液、提余液连续地送入和排出系统，并使液体料液和柱内的固定相形成逆向流动，以达到模拟移动床色谱分离的效果。这种系统自研发成功以来，已经过几次大的改进，ISEP和SepTor是属于树脂柱转动，而给料位置相对固定的形式，RDA和Ionex系统则是树脂柱固定不动，而给料位置相对移动的形式。RDA和Ionex系统用于色谱分离和用于离子交换时一样，具有一定的优势。

五、CCIX模拟移动床色谱分离系统［44～48］

1.CCIX色谱分离原理

图1-22为CCIX系统用于工业色谱分离的基本结构和原理。图1-22（a）为由9根树脂柱构成的色谱分离系统，箭头表示树脂柱转动的方向，分配阀在中心位置。阀的旋转端槽口和色谱柱相连，使色谱柱依次串联相接，并和色谱柱一起同步作连续变址转动。每次转动一个槽口的位置（即一个色谱柱的位置）。分配阀的固定端和进料液、洗脱液、提取液、提余液管道相连，这些管道的位置保持不变。当色谱柱携带固定相按顺序作步进转动时，与流动相形成逆向流动。图1-22（b）为20根柱的色谱分离示意图。装有吸附剂（固定相）的色谱柱按顺时针方向移动，洗脱剂（流动相）则以反时针方向依次流过串联相接的色谱柱，与固定相成逆向接触。进料从某一位置进入系统后，与固定相亲和力弱的组分则随洗脱剂移动（反时针方向），经过4个柱子后得到提余液产品（也称快流出产品），而与固定相亲和力强的组分则随固定相移动（顺时针方向），经过8个柱子后得到提取液产品（也称慢流出产品）。

图1-23为CCIX模拟移动床色谱分离流程。图中共有12根小型色谱柱，柱内装有固定相树脂。色谱柱由右向左移动（依次编号为1～12），移动相由左向右流动，形成逆向接触。以A、B两组分分离为例，进料由6号柱引入，与固定相亲和力弱的组分A随洗脱剂移动，经过洗提区5、4、3、2四根色谱柱逐级浓缩后，由2号柱底部排出，得到提余液A组分（称为快流出产品）。而与固定相亲和力强的组分B则随固定相移动，经过富集区的6～10号柱，纯度逐渐增高，最终由10号、11号柱间得到高纯度提取液产品B（称为慢流出产品）。参照传统模拟移动床的色谱分离原理，很容易理解，这里的洗提区相当于传统模拟移动床的Ⅲ区，而富集区则相当于传统模拟移动床的Ⅱ区。

11号、12号柱区称为洗脱区，在此纯净的洗脱剂将色谱柱内的树脂吸附物（A、B组分）彻底洗脱，而使固定相得到完全再生。1号柱构成再吸附区，其作用是两种组分A和B均被完全吸附，而使洗提液得到再生，净化的洗提液重新回到洗脱区。可以看出，洗脱区和再吸附区的作用相当于传统模拟移动床的Ⅰ区和Ⅳ区。

在两组分分离中，色谱柱内组分的浓度分布如图1-24所示。假定各占50％的A、B混合物从中部进入（10号槽口），由于A和B对树脂的吸附亲和力不同，随着色谱柱中固定相和流动相的相对运动，在进料口的两侧，A、B组分的浓度将逐级拉开，呈现出产品A和产品B的浓度梯度。在2号槽口可得到提浓的产品A，在18号槽口可得到提浓的产品B。

以柠檬酸和糖类采用CSEP色谱分离的浓度分布曲线为例（图1-25），进一步说明CCIX色谱分离的过程。系统由20根树脂柱构成，树脂柱由右向左移动，流动相由左向右流动，含有糖类杂质的柠檬酸原料液由中部（feed point）进入。由于弱碱性阴离子交换树脂对柠檬酸有较强的亲和力，柠檬酸随树脂一起向左移动，在流动相洗脱作用下，糖类杂质则随洗脱剂向右移动，于是两组分被逐渐拉开。在左侧产品采出点（product point）得到柠檬酸产品，在右侧采出点（by-product effluent point）得到糖分流出液。

2.CCIX色谱分离的特点

CCIX色谱分离和其他色谱分离方法相比具有以下特点。

①大量文献阐明理想的色谱分离系统最好是按照圆形轨道移动树脂，同时物流在轨道上的固定点流入和流出，当变换物流的流入/流出部位时，应保持树脂固定。CCIX色谱分离最接近符合上述的要求，它只有一个圆形多槽口分配阀，阀门槽口与槽口之间距离短，树脂柱可按最短的距离围绕旋转阀排列成环形，安装紧凑，使分离系统在布局上成为最佳配置，具备一系列可增强色谱分离效果的特点。

②CCIX系统有两种配管：一种是连接CCIX分配阀和树脂柱之间的配管（称为内管）；另一种是CCIX分配阀固定端之间相互连接的配管（称为外管）。

在CCIX系统中，内管的体积通常还不到一个树脂柱树脂体积的2％。外管的体积可小于树脂体积的0.5％。由于内管与树脂柱固定连接，液体分离曲线分布图总是按照固定的方向移动。当树脂柱通过分离区时，不需要清洗和净化步骤。在CCIX系统中，分配阀至每个色谱柱的距离相等，距离短且对称性好。没有复杂的支管、转换阀门和长距离输送管。因此系统中液体的死角体积降至最小，提高了分离效率。因此它是一个生产率高且易于操作的色谱分离系统。

③在CCIX系统中，由于每个树脂柱是独立的，因此树脂柱中只含有最小限度的空间体积，或没有空间体积。这样，可以将树脂柱准确地设计成只留有适当的膨胀空间。最小的自由空间可避免料液返混和防止破坏分离曲线。

④在CCIX系统中，离开某一区域的液流总是行进一段相同的距离到达下一个分离区。在固定管线的任何位置及任一给定时刻，都可以得到相同的分离效率，分离浓度分布曲线在循环中的任何位置均以相同的速度推进，因此CCIX系统操作稳定，分离过程得到优化。

⑤由于CCIX系统中只有一个多槽口分配阀，取消了如阀阵式系统所有的转换阀门，以及复杂的阀门联锁和控制开关，控制系统十分简单，系统易于操作。同时，CCIX系统是由若干个小型固定床色谱柱构成的，色谱柱和分配阀的槽口相对应，槽口切换方便，步进时间可以调节。根据不同的分离工艺要求，可以灵活选用色谱柱的数量以及各功能区内的色谱柱分配，使分离系统具有更强的灵活性。