基于内部换热强化模拟移动床色谱分离过程的综合研究

我们将采用内部换热模式在半制备级模拟移动床（SMB）色谱装置上实现温度梯度，以Chiralpak AD柱上酮洛芬手性对映体分离为模型体系，通过实验初步考察内部换热在不同操作流程下产生的温度梯度对SMB分离效能的影响。引入能量衡算方程，建立简明可靠的温度梯度模拟移动床（TG-SMB）数学模型，通过实验获得必要的模型参数并对模拟结果进行验证。用数值模拟方法研究一些设计上可行、但限于现有条件无法在实验室进行的TG-SMB过程。采用改进型非支配基因算法（NSGA-II-JG），处理带约束条件的多变量多目标优化问题，对不同TG-SMB操作流程在优化条件下的分离效能做进一步的比较，阐明内部换热模式下，各区色谱柱上温度分布对分离组分浓度分布的影响，探讨TG-SMB潜在的优势和存在的问题。本项目将建立一套实验、模拟和优化相互结合的研究方法，项目成果将为TG-SMB过程的深入研究提供理论依据。

随着手性固定相材料的发展，高效液相色谱特别是模拟移动床（SMB）技术成为手性拆分的重要手段。本项目旨在通过内部换热引入温度梯度对模拟移动床色谱手性拆分过程进行强化。主要展开了三个方面的研究：一是逆向法测定手性对映体在制备柱上的竞争吸附等温线，采用传质扩散模型进行质量衡算，在合理的流速范围内通过线性脉冲实验测定模型参数，开发出NSGA+LMA算法对实测过载流出曲线进行拟合，在广泛的参数空间内实现快速收敛，形成了一个由实验方法、模型及参数估算、优化算法共同构成的、较为完整的理论框架。二是非等温操作的SMB系统。发现对于手性拆分过程，由于选择性较低，直接通过不同温度的进料和洗脱剂引入温度梯度，效果并不显著。本项目创新性地提出了完全不同于以往SMB操作的“*”区概念，可以充分利用高温和低温各自对洗脱和吸附的促进作用，大幅度提高设备产能。三是非等温操作的SMB反应器，首次探讨了温度梯度对SMB分离与催化反应原位耦合过程的影响，发现温度梯度对分离效能和反应速率的影响是相互冲突的，对于动力学控制的过程，引入温度梯度并不一定能够达到提高产能的效果。此外，我们还针对项目展开过程中遇到的一些新问题进行了研究：1）提出了UV-CD联用在线检测手性对映体浓度的新方法，完成了必要的设备改造和调试工作，展开了相应的过载流出曲线测定实验，并用于逆向法确定极低选择性物系的竞争吸附等温线；2）发现线性脉冲信号在整体式色谱柱上的响应信号即使在高柱效下也体现明显的非对称特征，这与传统的抛物线型色谱模型相冲突。随后的惰性组分HPLC实验表明，这种高柱效下的非对称响应也发生在填料柱上，是一种普遍现象。本项目在国家自然科学基金的资助下取得的一些科研成果，相继发表在AIChE J.、J. Chromatogra. A等学术期刊上。