· · 化 工 进 展 年 月
外’新技术
制备型高效液相色谱分离技术及其
在生化
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
中的应用
国内
何 志敏 王志详
天津大学化学工程研 究所
余国凉
天津 ,
制备型高效液相色谱 是近年来引人注 目的新型高效分离技术 。 本文从化学工程角度
出发 , 对制备型 比分离过程的非线性色谱理论 、 优化和放大 , 以及在生化产品分离纯化中的
应用进行综述 。 并在此基础上 , 指出制备型 分离过程的研究方向 。
引言
色谱法分离技术是利用组分在固定相和流
动相中的分配系数的微小差异 , 当两相作相对
运动时 , 不同组分将形成不同迁 移 速 度 的谱
带 , 使各组分彼此分离 , 从而达 到 分 离 的 目
的 。 目前色谱法已在化学 、 化工等领域 , 特别
是生物化学和生物化工领域中 , 得到 了极为广
泛的应用 。 对于那些用常规方法难以分离的物
系 、 热敏性物系以及具有生物活性 物 系 的 分
离 , 色谱法具有独特的优越性 。
按照流动相状态的不同 , 色谱法可分为气
相色谱和液相色谱法 种 。 前者已广泛应用于
石油 、 化工等领域的化学分析 , 早已为人们所
熟知 。 而后者特别适用于生化 产品 的 分 离纯
化 。 在 年代 , 由于检测仪器和填料技术的重
大进展 , 诞生了新一代的高效液相色谱
装置 , 使得色谱法的应用领域 不 断 扩 大 。 至
今 , 已成为最重要和最有效的分析 和分
离方法 。
按操作方式和 目的来分 , 可分 为分
析型和制备型两类 。 分析型 的 目的 是为
了获得反映样品组成的信息 , 而制备型
的 目的是为了获得产品 。 所以 , 前者是一种分
析工具 , 而后者是一种分离技术 。 由于 目的不
同 , 分析型 和制备型 所选用 的 操
作条件有显著不同 , 前者的进样量愈小愈好 ,
且要避免柱超载 后者为了提高产量 , 柱必须
超载 。 对于分析型 可 用 线性色谱 理论
来描述 而对于制备型 , 只能用 非线性
色谱理论来描述 。 本文将按照化 学 工 程 的观
点 , 对制备型 的过程理论 、 模拟 、 优 化
及其在生化产品分离纯化中的应用现状进行简
要综述 。
非线性色谱理论
色谱系统的数学模型
色谱问题是将柱出口处的谱带的浓度曲线
同平衡等温线 、 传质动力学和注入谱带曲线联
系起来 。 在化学工程中 , 最典型的方法是质量
衡算 、 传质动力学和求解偏微分方程 。
对色谱柱中的传质过程可描述为
一 召 “ , 一
一戈了
—
七 ‘七 , ‘
—
口不 ‘
。
国家教委留学回国人员工作资助费支持项目。
式中 、 。 ,分别为组分 公在固定相和流 动相
中的浓度 , “ 为流动相流速 , 为扩散系数
君为色谱柱的孔隙率 。
不同的研究者所使用的传质表达式形式各
异 , 但都可经方程 简化而得 。 为了得到
系统的数学模型 , 还必须建立 和 之 间的
第 期 化 进 展
表 色漪不统的平衡关系
类 型 平 衡 表 达 式 应 文献
线 性 , , 二 。
‘ 型 ‘ ,
, 二
‘一
,
矛 。口
艺 凡一 , 一
口
浓度很低或线性吸附
适用于单组分吸附 。
时 , 等温线渐近于直线
适用于多组分物系
〔 〕
当 ‘很大或很 小 〔 〕
〔 , 〕
。 山 型 一 , 一
‘盆‘ 经验等温线 ,
据 ,
可用于拟合大多数平衡数
等温线无渐近线 〔 〕
表中 , 、 人 、 。 、 。 , 、 ‘为平衡常数
衷 色 , 系统的传质速率表达式
传质速率表达式 文 献
、、舟弓︸、‘
, 令 一 嵘几
, 一“ ,
孚 一二一
。 , 一 , ·
令 一 鲁 十子令
有限传质
有限传质并趋于平衡 , 是上一种清况的特例
有限传质 , 且溶质在球形填料内 、 外扩散
这里尚需填料周围环境的附加边界条件 〔 〕
表中 , 人 、 为传质速率常数 ‘ 。 , 为与固定相成平衡时的流动相中组分玄的浓度 刀 为填料颗粒内的扩散系数 。
裹 典型的边界和初始条件
初始或边界条件 文 献
恒定进料浓度
当 二 。、 一 。时 ,
一
, ’, 二夕‘
, 盆 , 亡 用恒定浓度的溶剂洗提溶质 ,
品用有限脉冲的方式注入
例如线性色谱 或样 , , 〕
以及当 。、‘ 。时 ,
或当 二 、 进科 时
溶质通过往出口处无吸附
。 , , ‘
当 乙 、 。时 ,
。 , 〔 ,
片 韶
在柱出口 内 、 外的扩散和流速相似 , 且相对于扩散
和对流而言 , 累积很小 〔 〕
柱内的初始浓度为零
当 , 、一 时 , ‘ , , ‘
以及 、 一 时 , , , 二
‘ 柱出口处有返混
几乎对所有的情况都适用 。
界条件
可用于所列出的各种边 〔 , , 〕
当一
、‘ 。时 , 。匹借男 , 一二
, ’, ,
在柱出
以通过扩
口处
散的
可有返混 , 如果存在浓度梯度 , 物质可
方式进出柱 〔 〕
二“ 二
表中 , 口 , ,为色谱柱进口处的浓度 , 它是一个常数或为时间的函数 为色谱柱的长度 。
关系 , 这些关系可以是平衡关系 , 也可以是动 表达式以及初始条件和边界条件 , 构成了色谱
力学关系 即传质速率方 程 。 表 和 表 分 系统的数学模型 。
别归纳了目前广泛采用的平衡关系和传质速率 系统摸型的求解
方程 。 对于不同的情况有不同的边界条件和初 迄今为止 , 尚无法得到色谱系统数学模型
始条件 。 表 列出了一些研究者所采用的边界 的一般解析解 , 因此 , 无法编制通用的计算程
条件 。 序 。 这不仅是由于计算过程十分复杂和费时 ,
方程 与相应的平衡关系 、 传质速率 而且是由系统的数学性质
决定
郑伟家庭教育讲座全集个人独资股东决定成立安全领导小组关于成立临时党支部关于注销分公司决定
的 。 当进行数值
化 工 进 展 年 月
模拟时 , 使用传统算法往往收敛不稳定 , 如果
不对所涉及的数值问题进行仔细分析 , 编制的
程序可能会导致无法接受的解 。 有鉴于此 , 合
理的简化是必不可少的 。 常用的方法主要有
假定柱效无限大 。 此时可以完全 忽 略动
力学方程 , 用有限差分法 , 对问题编制程序求
解“ , ”。 通过对偏微分方程的性质进行 研 究 ,
对解的数值计算可选择合适的时 间 和 空 间增
量 。 等仁, , 发现这种选择是不确定的 ,
当选择与板高度相等的空何增量时 , 可使计算
得到的曲线与低浓度时测得的曲 线 相 吻 合 。
‘ 保留动力学方程 , 但假设是线性等温线 ,
这可解决分析色谱中所遇到的问题 。 此时可得
到系统模型的精确解析解 , 即 曲线 ,
也可以获得板高方程式 。 保留动 力 学方
程 , 求近似解析解 。 等 ‘。】使用复杂的数
学变换 , 得到了非线性等温线时 , 单一峰曲线
的近似解析解 , 但他们的方法不能推广到二元
或二元以上混合物的问题 。 一些 研 究者川 , ’ ’
假定扩散系数为表观扩散系数 , 且为常数 , 从
而获得了系统的近似解 。 在中等超载的
中 , 理论值与实验值吻合较好 。 然而 , 许多物
质的分子 , 特别是生命科学中的 或蛋白
质等生物大分子 , 在流动相中的扩散系数并非
常数 , 而与浓度有关 , 此时 , 等的方
法将不适用 〔, , 】。
尽管许多研究者对非线性色谱理论进行广
泛的研究 , 但就这一领域的现状而言 , 离解决
制备型 分离过程最优化等间题 , 尚 有很
大的差距 。
过程的优化和放大
制备型 分离过程的目的是按照 一定
的纯度要求 , 以最大的产率和可行的投资 , 来
生产所需要的产品 。 为此 , 按照化学工程的观
点对过程进行优化 、 放大是必须的 。 下面讨论
几个主要的影响因素 。
样品的注入和壁效应
在制备型 分离过程中 , 柱的壁 效应
是很重要的 , 它可以反映填料堆积 的 难 易 程
度 、 柱效以及柱的使用期限等问题 。 由于壁效
应的存在 , 将导致柱性能的严重恶化 。
等 ‘弓 , 将色谱柱的壁效应分为 类
直接壁效应 , 即柱壁对 填 料的 支 撑效
应 , 桥效应 , 即在小直径柱 中 , 填 料颗
粒互相挤压 , 形成桥 , 热量壁 效 应 , 在
大内径的制备柱中 , 可以没有桥效应 。 但在这
些制备柱中 , 摩擦热和吸附热效应更为重要 。
由于柱壁材料通常具有比床层更大的热膨胀系
数 , 因此 , 当溶剂从床层巾通过 并 产 生 热量
时 , 壁面能同床层分离开来 , 使壁面附近的渗
透性变高 , 从而使柱性能下 降 。 最 初 ,
等 〔‘“ , 认为壁面区相当于 个填料顺粒直 径厚 。
但是 , 通过对色谱柱内径向浓度分布的进一步
研究 , 等 〔“ ,发现壁面区至少向柱内扩展
相当于 个常规填料颗粒 直 径 , 而 且
很可能达到 相当于 个常规填料顺 粒直
径 。
为了减少壁效应的影响 , 许多研究者对样
品的注入方式进行了研究 。 年代后期 ,
等“ , 提出了分析型 色谱柱的 “无限直径
效应 ” 的概念 , 即如果柱子足够粗 , 那么 , 将
样品注入到柱入 口的中心 , 所有组分的谱带可
不经过壁面附近的不规则区域而到达柱出口 ,
从而可消除壁效应的影响 。 “ ”认为 ,
在制备型 中 , 显然应该利用无限 直径效
应 。 然而 , 一方面 , 由于柱按照无限直径方式
操作时 , 其填料的利用率太低 , 另一方面 , 在
制备型 中 , 样品量相对较多 , 很难 完全
按照中心注入的方式进样 。
等 ,对中心进料和截面均 匀进料
所获得的结果进行了比较 , 结果表明 低样品
浓度时 , 中心注入的等板高度 较小 。
但随着超载程度的增加 , 中心注入的 增
加 , 使得在高超载程度时 , 中心注入的
更大 。
体积超载或浓度超软
一般地 , 为了提高柱产量 , 必须提高样品
第 期 化 工 进 展
体积 。 这有 种方式 〔 使用小的 注 入体
积 , 但增加样品浓度 , 即所谓的 “质量超载 ”
保持较小的样品浓度 , 但增 加 样 品 体
积 , 即所谓的 “体积超载 ” 。 许多研究者‘ , ” 。,
对这 种操作方式进行了研究 , 发现在质量超
载条件下 , 操作要好一些 。 等 ” , 计算了
最大样品负荷能力 , 得到 的回收率对每个组分
而言接近于 。 等‘
, ‘’对柱的 质 量超
载情况进行了研究 , 结果表明 , 为了实现柱的
最大生产能力 , 注入样品体积必须保持在一个
最小值 。 从实用的观点而言 , 首先要提高注入
样品的浓度 。 如果在达到最大生产速率之前 ,
样品在流动相中的流动度已达到极限值 , 那么
就要提高样品注入体积 。 他们指出 , 在任何情
况下 , 都有一个最优的注入体积 , 这取决于样
品在流动相中的流动度 。
坡料尺寸
在 中 , 填料尺寸直接影响柱 效 、 负
荷能力及压降 。 在分析型 中 , 已广 泛研
究过填料尺寸对分离效率的影响 。 但在柱超载
情况下 , 对填料尺寸进行优化研 究 却 少 有报
道 。 等 〔翻对不同填料尺 寸 的 制备
型 过程进行了优化 , 认为在柱超 载情况
下 , 使用大尺寸的填料并适当加大柱长 , 可使
分离效果基本上不下降 。
在制备型 中 , 对填料尺寸的优 化存
在 种观点 。 一种观点认为使用小顺粒填料 ,
可以获得高柱效 , 尤其是对于难分离物系 , 可以
获得很高的分离度 。 缺点是压降太大 , 填料较昂
贵。另一种观点是使用大颖粒填料 , 可以获得较
大的生产能力 , 而且填料相当便宜 。 但此时必
须以牺牲柱效为代价 , 或者增加柱长以获得与
小顺粒填料相同的柱效 。 为了获得合适的分离
度 , 对于填料尺寸的优化还没有很好的解决 。
色谱过程将导致样品的严重稀释 , 且柱效
越低 , 洗提浓度就越低 。 产量固然重要 , 但如
果回收率太低 , 过程还是不适用的 。 在制备型
分离过程中 , 最重要的是产率 , 必 须据
此对制备型 分离过程的填料尺寸进行 优
化 。
。 流速
流动相的最大流速由填料尺寸 、 柱径和泵
能力决定 。 最初认为按最大流速操作可以获得
最大产量‘翎 , 但对于最大产量的 操作 是 否是
最优的 , 必须加 以权衡 。 因为 随着流 速 的增
大 , 将增加 , 因而使峰重叠增加 , 所 以
在产量和分离度之间有一个权衡问题 。 此外 ,
随着流速的增加 , 溶剂消耗将增加 。 当流速超
过某一极限时 , 收益将少于 花 费 。 在 制 备型
巩 分离过程中
, 对流速的优化需要系 统的
研究 , 而且必须同其它参数结合起来 。
柱径
对色谱柱的早期研究主要局限 于
的小直径柱 。 在分析 型 中 , 等 “们发
现 , 由于 “ 无限直径效应 ” 使大直径柱更为高
效 。 等 〔 ”, 的研究肯定了这一结果 。
他们将柱内径放大到 时 , 柱效 没有损
失 。 。、等 〔‘“ , 的研究也进一步证实了这 一结
果 。 翔将柱内径放大到 时 发 现 ,
同小直径的分析柱相比 , 大直径柱无论在理论
上还是在实际上 , 都可以提高柱的操作性能 。
团 等‘ ‘ , 将柱内径放大到 , 对
脱氢皋丸激素进行了分析和制备分离 , 制备量
在 , 甚至更多 。 等 〔”, 将柱内径
放大到 , 对四氢化菲混合物进行了 制备
分离 , 处理量可以达到 , 甚至达到 。
目前已经 出现了既可进行分析分离 , 又可进行
大规模制备分离的 色谱系统 。
虽然 , 增大色谱柱的直径 , 可以增加样品
的处理量 , 但柱直径也不能无限放大 , 必须受
到泵能力的限制 。 因为在同样的流速下 , 柱直
径增加 倍 , 泵流量必须增加 倍 。 此外 , 在
大直径色谱柱中 , 如何使样品在柱截面上均匀
分布 , 也是一个令人棘手的问题 。 否则 , 柱效
将大为下降 。
迄今为止 , 在制备型 条件下 , 柱径
增大对分离性能影响的研究还很不完善 , 迫切
需要进一步的深入研究 。 这是制 备型 技
化 工 年 月
术大规模地用于工业分离过程的关键所在 。
。 柱长
在制备型 中 , 柱长 要 同 柱 径 、 柱
效 、 流速 、 填料尺寸等一起优化 。 有一个最小
柱长 , 低于这个值 , 谱带之间的分 离 程 度 不
够 , 就不能生产足够纯的产品 。 等 , ,
主张使用很长的制备柱 , 这样可以提高样品的
处理量 。 但是 , 等 〔 幻指出 , 增加柱长所
获得的收益有一个极限值 。 当柱长超过某一长
度后 , 由于填充床层的不均匀性 , 使柱效并不
能随柱长线性增加 。 使柱长产生上限的另一个
因素是泵的能力 , 即柱长要受到泵的最大操作
压力的限制 , 因为压力降将随着柱长的增加而
增大 。 等‘ ”认为 , 如果柱子的 压 降太
大 , 可以考虑使用多根柱子 。 也可 以象
等 〔翻那样采用循环操作技术 。
关于制备型 孔 分离过程的优化
、 放大 ,
还没有形成系统的理论 , 尚有许多问题需要解
决 。 然而 , 目前这一领域的研究很活跃 。 预计
在不久的将来 , 这些间题可望得到初步解决 。
域中 , 将 日益发挥着越来越重要的作用 。
农 翻备型 分离技术在生化产品
分离纯化中的应用实例
序号 物质名称 柱尺寸 往填料 处理量
脱氢皋丸激素
腺 嚓吟核 普
缩二氮酸
抗菌素
糖砍
人胰生长激素
胰蛋白酶抑制剂
蛤毒配基 醋
少乳球蛋自
尿酸
免疫球蛋白
类叶红素
人胰岛素 链
只
。
。
硅胶
‘
”
树脂
硅胶
硅胶
树脂
硅胶
硅胶
一
应用实例
在 年代兴起的新技术革命中 , 生物工程
得到迅速发展 , 它的各个分支 —基因工程
、
细胞工程 、 酶工程和发酵工程中 , 都面临着大
量的蛋白质 、 多肚 、 核酸等生物大分子的分离和
纯化任务 。 这些生物大分子在分子量 、 琉水性 、
热稳定性、化学稳定性 、 反应性能等方面 , 不同
于小分子或中等分子量的化合物 , 不能用常规
的分离技术来分离这些生物大分子 。 从分离科
学的现有水平来看 , 电泳法和 是 目前分
离生物大分子的最佳手段 。 然而 , 电泳法在制
备和生产规模上受到限制 , 因此 , 就成
为目前分离和纯化生物大分子的主要手段 。 表
列出了制备型 分离技术在 生物大分子分
离和纯化领域中的一些应用 。 其中 , 柱尺寸为
内径 长度 , , 处 理 量级 为 批 。
可以相信 , 随着生物工程的迅速发展 , 制备型
分离技术在生物大分子的分离和纯 化领
结束语
制备型 是一种新型高效 分离技术 ,
无论在原理上 、 还是 在 设 备 上 , 都与分析型
·
显著不同 。 目前制备型 的发展趋
势是开发大规模工业过程 。 然而 , 现有的理论
结构还很不完善 , 不能指导制备型 分 离
过程的放大和优化 。 特别是涉及到柱超载 、 柱
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
等间题 , 还远未解决 。 从工业应用角度出
发 , 今后的研究方向主要是以下几方面 。
对指导制备型 分 离过程优化
和放大的非线性色谱理论进行研究 。 只有在这
方面取得突破性进展之后 , 才 能 掌 握 制备型
分离过程的最优设计 。
按照化学 工 程 的 观点 , 对制备型
分离过程进行模拟 、 优化和 放大研究 ,
为整个过程最优设计提供科学依据 。
开发适用于制备型 分离过程
的低成本 、 通用型和高选择性填料 , 以降低生
产成本和提高产品纯度 。
对制备型 分离过程 的关键设
备 —色谱柱及其内件进行最优设计
, 以适合
工业规模的应用 。
最后必须指出的是 , 制备型 技术无
第 期 化 工 进 展 ·
疑是迄今为止最有效的一种分离纯化生物分子
的方法 。 但是 , 它的应用并不仅仅局限于生物
分子 , 而是可以广泛地用于各种化工产品 , 特
别是精细化工产品的精制 。
参考文献
孟 心,
艺 , ,
,
。
,
。 一 ,
一
功 , , ,
,
, ,
,
·
,
,
,
,
,
,
,
产 ,
一 ,
,
, ‘
, , 。,
弓
二 ,
,
, 】 , 二 ,
一 , ‘通
,
一 , , ,
, ·
,
一 , ,
刁
,
〕 ,
。
,
, 刁
, ,
,
, 至 ,
上接第 页
火 , ,
, 卜
朗
城 , ,
, , ,
‘ , , , ·
, ,
, 人 , ·
, ,
通 , 此
, ,
通 卜兔 , 主 ,
·
川
, 月 ,
袁孝竞 , 李福生 , 余国珠 大型填料塔内液相分布
状态的研究 化工学报 ,
, ,
, , , 口
‘
, ,
, 功 , ,
召
, , “ 吕
, 戈
云 , ,
, ,
, , 马
〕 , , ,
, , 劝
, 玫 ,
,
, ,
,
, 仕 , , 峨峨
一 , , 片
,
,
,
盯 , 七叫
,
, , 。
,
乳 , ,
, ,
, ,