木糖醇母液色譜分離性能優(yōu)化

1、2002 年6 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities June 2002 文章編號:1003-9015(200203-0270-05木糖醇母液色譜分離性能優(yōu)化彭奇均1,徐玲2,蔡宇杰2,何凡2,吳菁嵐1(1. 江南大學化學與材料工程學院; 2. 江南大學通信與控制工程學院,江蘇無錫214036摘要:在實驗室模擬移動床(SMB分離設備上成功地實現(xiàn)了木糖醇母液中木糖和木糖醇組份的分離提純。并在平衡理論的框架下,采用基于真實移動床(TMB的簡化數(shù)學模型,以產(chǎn)品純度和收率為系統(tǒng)分離性能的優(yōu)化指標,研究SMB分離性能與操作條件

2、之間的關系。通過對木糖醇母液SMB色譜分離過程操作條件的尋優(yōu)仿真研究,確定穩(wěn)態(tài)時柱內的木糖和木糖醇濃度分布狀態(tài);計算出不同操作條件時兩組分產(chǎn)品液各自的純度和收率變化規(guī)律圖。在閥門切換時間為15min,進料木糖醇母液中木糖濃度35gL1,木糖醇濃度114gL1,進料和出料總量恒定為16mLmin1,循環(huán)洗脫劑流量恒定為18mLmin1的操作條件下,木糖醇母液進料流量在12.3mLmin1范圍內都可同時獲得純凈木糖醇與木糖產(chǎn)品。在實驗室SMB分離設備上進行了驗證,得到的木糖和木糖醇產(chǎn)品液純度和收率均達到了100%,所有實驗結果與仿真曲線基本吻合。因此采用基于TMB的簡化的平衡理論模型進行仿真和優(yōu)化

3、研究可分析和預測木糖母液SMB色譜分離系統(tǒng)操作條件對系統(tǒng)分離性能的影響,有效地指導了產(chǎn)品分離實驗、工業(yè)化放大設計和生產(chǎn)優(yōu)化操作。關鍵詞:模擬移動床;木糖醇母液;色譜分離;操作優(yōu)化中圖分類號:TQ028.8; TQ 021.8; O657.72 文獻標識碼:A1 引言20世紀60年代發(fā)展起來模擬移動床(SMB色譜分離技術14,具有分離能力強,設備結構小,投資成本低,便于自動控制等優(yōu)點,特別適合于進行連續(xù)性物料分離的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。SMB技術的興起被認為是化工技術中的一次革新,其應用范圍正在不斷擴大。木糖醇作為多元糖醇是一種新型甜味劑和治療劑,有較大的產(chǎn)銷市場。但目前工業(yè)上一般采用木糖氫化制取,

4、工藝過程中產(chǎn)生結晶母液,造成很大的產(chǎn)品損失。近年來我們進行了木糖醇母液色譜分離新工藝的研究,在實驗室采用SMB技術成功地實現(xiàn)了木糖醇母液中的木糖和木糖醇組分的分離提純。但由于SMB分離過程的機理復雜,影響分離效果的參數(shù)很多,很難用實驗方法實現(xiàn)優(yōu)化操作和指導工業(yè)化放大。本文在平衡理論的框架下,采用基于真實移動床(TMB的簡化數(shù)學模型,以產(chǎn)品純度和收率為系統(tǒng)分離性能的優(yōu)化指標,研究SMB分離性能與操作條件之間的關系,進行了木糖醇母液SMB色譜分離過程操作條件的尋優(yōu)仿真研究,并在實驗室SMB分離設備上進行驗證,所提取的木糖和木糖醇產(chǎn)品液純度和收率均達到了100%。2 理論2.1 TMB和SMB工藝簡

5、介在如圖1所示的四區(qū)域TMB系統(tǒng)中,進料液(F、洗脫液(D、提取液(X與提余液(R的進出口位置是固定的,固液兩相互為逆向實際流動。而SMB技術的核心是系統(tǒng)內只有液相流動,固定收稿日期:2001-05-15; 修訂日期:2002-01-08?；痦椖?教育部高校骨干教師資助基金,教科司(2000-65。作者簡介:彭奇均(1955-,男,江蘇無錫人,江南大學副教授。 Liquid recirculation圖1 四區(qū)域TMB分離原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the four-section TMB相在柱內保持靜止。按液相流動方向,周期性的順序改變F 、D 、X 與

6、R 的進出口位置,模擬實現(xiàn)TMB 中固定相的移動效果。 2.2 SMB 模型精確的SMB 模型須考慮循環(huán)切換操作,數(shù)學關系式復雜,計算機仿真相當困難。采用基于等價的TMB 建模方法,即把切換時間轉換成固定相流速,忽略循環(huán)口的切換,在圖1所示的色譜柱中取微元體積進行物料平衡分析,可得到一個連續(xù)逆流吸附過程的簡化平衡方程57以便于計算機仿真和優(yōu)化分析。柱床的物料衡算方程式: t q t C x q u x C v x C D i i i i i +=+1(1(22L (1其中初始條件: C ij = q ij = 0 (t = 0 邊界條件: C ij = C ij ,0 0=xq ij(x =

7、00=xC ijq ij = q ij -1,0 (x = L j 多組份吸附平衡等溫線: q i j = f i (C A j ,C B j (22.3 分離性能指標純度、收率、溶劑耗費和生產(chǎn)率四個指標被用來衡量SMB 系統(tǒng)的分離性能,其中溶劑耗費和生產(chǎn)率指標直接與分離成本關聯(lián);而純度和收率指標互為牽制,直接與產(chǎn)品質量相關聯(lián),因此本文將純度和收率作為系統(tǒng)分離性能的優(yōu)化指標。如圖1,弱吸附組份(A在R 中回收,強吸附組份(B在X 中回收,則定義純度和收率如下: B 組份的純度:%100B X A X B X B ×+=C C C 收率:%100F BF XB X B ×=v

8、C v C RC (3A 組份的純度:%100R R A R A ×+=C C C 收率:%100FF RAR A ×=v C v C RC3 實 驗3.1 原料木糖、木糖醇和木糖醇母液由山東省禹城市木糖醇廠提供;色譜分離固定相為自行合成的大孔苯乙烯骨架螯合鈣樹脂(粒徑200300µm;可溶性淀粉由上?；瘜W試劑公司提供。 3.2 儀器將德國Knauer 公司生產(chǎn)的CSEP C916型全自動模擬移動床制備色譜分離系統(tǒng)配置成8根柱、四個區(qū)域串聯(lián)的連續(xù)色譜系統(tǒng),用四個衡流泵分別控制進出料和各個區(qū)內的流量。整個系統(tǒng)用Valve Chrom 軟件實施計算機操作控制和采樣。樣

9、品分析在安裝了Waters 公司的糖分析柱和美國Agilent 公司的1100系列示差折光檢測器的高壓液相色譜儀上進行。 柱床空隙率、吸附等溫線等物化參數(shù)在如圖2所示的實驗裝置上進行。采用美國Oakdale Engineering 公司的Datafit 7.0程序軟件包進行測定數(shù)據(jù)的計算處理。 3.3 實驗使用可溶性高分子淀粉作柱示蹤劑測定柱的床層空隙率( = 0.38; 采用前沿分析法8測定60時、濃度比為1:3的木糖和木糖醇混合物中FlowmeterSampling兩組分各自的吸附等溫線。數(shù)據(jù)擬合結果表明,木糖和木糖醇的競爭性吸附行為可比較準確地采用以下的Langmuir 型吸附平衡等溫線

10、表達:BB A A 1C K C K C K N q ii i i +=(i =A,B (4其中:K A =0.0088(100g g 1;K B =0.0169(100g g 1;N A =194 g (100g1;N B =250g (100g1。在CSEP C916型裝置上連續(xù)加入木糖醇母液,去離子水作洗脫劑,在60下運行,分離出木糖和木糖醇。在不同操作條件下,當SMB 系統(tǒng)達到循環(huán)穩(wěn)定態(tài)后,在進出料閥門步進周期的中點采集提取液及提余液樣品,送高壓液相色譜儀分析其中木糖和木糖醇的濃度,計算出各自的純度和收率。 3.4 計算仿真在平衡擴散理論模型方程式(1(2中,代入實驗測定模型參數(shù)與不同

11、的實驗操作條件,并考慮節(jié)點間的物料平衡,采用有限元分析軟件Femlab 進行仿真,得到穩(wěn)態(tài)時柱內的木糖和木糖醇濃度分布;用方程式(3計算兩組分出口液各自的純度和收率如圖3和圖4所示。在以上所有的實驗和仿真計算中, 進出料閥門切換周期為15 min, 進料木糖醇母液中木糖濃度35g L 1, 木糖醇濃度114g L 1,進料和出料總量恒定為16mL min 1,循環(huán)洗脫劑流量恒定為18mL min 1。 4 結果與討論4.1 進料液、產(chǎn)品出口液之間流量變化對SMB 分離性能的影響在色譜分離設備連續(xù)運行時,進料口與出料口總流量必須相等,并且一般保持恒定。因此僅需研究木糖醇母液進料流量變化,及木糖醇

12、產(chǎn)品出口液流量變化對SMB 分離性能的影響。由圖3可見, 當木糖醇產(chǎn)品出口液流量從2mL min 1變化到13mL min 1時(進料液和洗脫液流量都保持常量,分別為4mL min 1和12mL min 1,相應的純度由保持在100%而后慢慢降低,而收率則不斷提高直到100%,木糖產(chǎn)品液的變化恰好相反。P u r i t y ,%60708090Xylitol flowrate, mL · min 1Xylitol flowrate, mL · min12468圖3 木糖醇產(chǎn)品液流量變化對純度及收率的影響Fig.3 Effect of the xylitol flowrat

13、e on the purity and recovery experimental data of xylitol simulated curve of xylitolexperimental data of xylose simulated curve of xylose 圖4 木糖醇母液進料液流量變化對純度及收率的影響Fig.4 Effect of the xylitol mother liquor feed flowrate on the purity and recoveryexperimental data of xylitol simulated curve of xylitole

14、xperimental data of xylose simulated curve of xyloseFeed flowrate, mL · min 1P u r i t y ,%8090100Feed flowrate,1而圖4表明當木糖醇母液進料流量從1mL min 1變化到6.5mL min 1時(木糖醇液與木糖液流量保持恒定,分別為10mL min 1和6mL min 1,起初相應的木糖產(chǎn)品液和木糖醇產(chǎn)品液的純度和收率都保持在100%,木糖液的純度和木糖醇液的收率的保持范圍稍大一點,而后慢慢降低。因此,增大進料流量將會降低純度和收率。所有實驗結果與仿真曲線基本吻合。 4.2

15、 SMB 分離性能的預測從圖3、4可獲得SMB 系統(tǒng)不同區(qū)域內流量的坐標圖,在其中可劃分出木糖醇與木糖兩組分完全分離區(qū)、僅木糖醇或木糖單組分分離區(qū)、木糖醇與木糖兩組分部分分離區(qū)、兩組分完全不分離等區(qū)域;同樣對兩產(chǎn)品的收率也可進行區(qū)域劃分。因此利用該圖可預測不同操作條件時的SMB 系統(tǒng)分離性能。在上述實驗條件下,當木糖醇母液進料流量在12.3mL min 1、及木糖醇產(chǎn)品出口液流量在5.610.3mL min 1范圍內都可同時獲得純凈木糖醇與木糖產(chǎn)品,因此在此區(qū)域內兩組分的收率均可達100%。在上述范圍內選定如表1所示的SMB 操作條件,將其代入模型預測SMB 循環(huán)穩(wěn)定態(tài)行為,并在SMB 裝置上

16、進行實際的分離操作,結果如圖5所示。兩者基本吻合且分離效果良好,所得木糖醇與木糖產(chǎn)品液的純度和收率均達100%。仿真結果與實驗數(shù)據(jù)相比較,產(chǎn)品濃度在吸附時上升稍快, 脫附時下降稍快,這可能是由于模型中忽略了分離體系中軸向擴散系數(shù)和傳質阻力所至。表1 SMB 實驗操作條件Table 1 The experimental condition of SMB operation Temperature , 60 Xylose concentration , g L 1 35.4 Xylitol concentration , g L 1 114.6 Recycling flow-rate , mL m

17、in 1 12 Feed flow-rate , mL min 1 2 Desorbent flow-rate , mL min 114 Xylose flow-rate , mL min 1 6 Xylitol flow-rate , mL min 110 Rotation period , min155 結 論本文的工作證明,采用基于TMB 的簡化的平衡理論模型進行仿真和優(yōu)化研究,可分析和預測木糖醇母液SMB 色譜分離系統(tǒng)操作條件對系統(tǒng)分離性能的影響,有效地指導了產(chǎn)品分離實驗、工業(yè)化放大設計和生產(chǎn)優(yōu)化操作。符號說明:A 弱吸附組份-木糖 R 提余液木糖醇液B 強吸附組份-木糖醇RC 收率,

18、% C 組份在液相中的濃度,g (100g1 t 時間,min D 洗脫液去離子水 u 固相流量,g min 1 D L 表觀軸向分散系數(shù), v 液相流量,mL min 1 F 進料木糖醇母液 X 提取液木糖液 K Langmuir 平衡常數(shù) x 柱的軸向坐標,cm L 柱長,cm 柱床空隙率 N 組份在吸附相上的飽和吸附量,g (100g1 上標與下標 P 純度,%i 組份,i =A,B q 組份在吸附相中的濃度,g (100g1j 區(qū)號,j =,圖5 循環(huán)穩(wěn)定態(tài)時SMB 內部濃度圖Fig.5 The steady state internal profile of SMB in the c

19、yclic steady stateexperimental data of xylitol simulated curve of xylitolexperimental data of xylose simulated curve of xylose D X(B+D F(A+B R(A+DC o n c e n t r a t i o n ,g L 1204060參考文獻:1 Broughton D B. Continuous sorption process employing fixed bed of sorbent and moving inlets and outletsP. US

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24、rate Performancefor Xylitol Mother LiquorPENG Qi-jun1, XU Ling2, CAI Yu-jie2, HE Fan2, WU Jing-lan1,(1. School of Chemical and Material Engineering; 2. School of Communication and Control Engineering,Southern Yangtze University, Wuxi 214036, ChinaAbstract: On a laboratory simulated moving bed (SMB s

25、ystem, the xylitol mother liquor was successfully separated and purified into xylose and xylitol component. In the frame of equilibrium theory, taking purity and recovery as p erformance index, the relationship between the operation condition and the SMB performance was studied, by using a simplifie

26、d mathematical model of the corresponding true moving bed (TMB. Then the simulation by computer and optimization of SMB chromatographic separate condition for xylose mother liquor also was studied. Through confirming the concentration distribution-estate of xylose and xylitol in the column on the steady state, the change rule of purities and recoveries of two product liquors was obtained. The satisfaction result was gotten on a SMB equipment in our labor, the purit