姜夏伟，王亚军，郑裕国

（1.浙江工业大学生物工程研究所，浙江 杭州 310014；2.浙江工业大学生物转化与生物净化教育部工程研究中心，浙江 杭州 310014）

模拟移动床色谱技术分离果糖研究进展

姜夏伟1，2，王亚军1，2，郑裕国1，2

（1.浙江工业大学生物工程研究所，浙江 杭州 310014；2.浙江工业大学生物转化与生物净化教育部工程研究中心，浙江 杭州 310014）

主要综述了模拟移动床（Simulated Moving Bed，SMB）色谱分离技术从果葡糖浆中分离果糖的应用研究进展。从工作原理、固定相、阀系统、自动化控制、数学模型及工艺参数优化等方面对SMB技术进行了系统介绍，为我国的高纯果糖浆和结晶果糖的产业发展提供参考意见。

果葡糖浆；SMB；色谱分离

前言

果葡糖浆是一种重要的淀粉糖产品，可作为代替蔗糖的甜味剂广泛应用于饮料及烘焙等食品行业。果葡糖浆中含有大量果糖，果糖具有相对甜度高、甜味独特、溶解度大的性质，与其他甜味剂之间有协同作用，更重要的是，果糖食用后不引起血糖波动。此外，果糖具有良好的代谢特性和渗透压特性，可被制成注射液用于心血管病、糖尿病、脑颅病及肝的治疗，在制药行业结晶果糖需求逐渐增大。在工业生产中，果糖是生产乙酰丙酸、糖脂，特别是5-羟甲基糠醛的重要原料。目前国内果葡糖浆F-42的市场已逐渐饱和，发展空间有限，而我国的结晶果糖主要靠国外进口，国内仅少数公司开始生产，具有极大的市场前景。

规模化制备果糖的原料通常都是果葡糖浆。果葡糖浆按照来源分为三类：1）含淀粉量高的作物如玉米、番薯等；2）含蔗糖量较高的作物如甘蔗、甜菜等；3）富含菊粉的植物如菊芋、菊苣和大丽花等。针对不同的原料，果葡糖浆的生产方法也不同，得到的果葡糖浆也不相同。根据果糖含量，果葡糖浆可分为F-42、F-55和F-90。由于果糖与葡萄糖互为同分异构体，在结构和物理特性方面十分相似，所以从果葡糖浆中分离纯化果糖难度较大。因此，高品质果糖生产的关键技术是果糖分离技术。模拟移动床（Simulated Moving Bed，SMB）色谱分离技术在果糖纯化应用上越来越广泛，本文对SMB色谱分离技术在果糖分离方面的研究进展进行了综述。

1 SMB色谱分离工作原理

1.1 果糖色谱分离原理

色谱分离法是目前普遍采用的果糖分离方法，是利用β-D-吡喃果糖和β-D-吡喃葡萄糖与阳离子亲和力的差异实现分离的目的。其工作原理如图1所示［1］，（a）为理想的阳离子和糖的结合模型，相邻的羟基具有2对轴向-平伏的排列（ae），没有平伏-平伏的羟基排列（e-e）。Goulding研究发现，相邻羟基的a-e排列与阳离子的结合能力远大于e-e排列，即a-e排列越多，结合越牢固，如（b）β-D-吡喃果糖有两对不相邻的a-e排序，而（c）β-D-吡喃葡萄糖没有a-e的排序。

图1 果糖和葡萄糖与金属离子结合模型

文献报道的果糖分离方法还有结晶分离法、氧化分离法、液液萃取法、参数泵分离法等，分别基于结晶差异、化学性质差异、溶解度差异和分配差异等原理进行分离，与色谱分离法相比，这些方法存在生产周期较长、不能连续化生产、操作繁杂、污染大、纯度低等缺点。近年来，离子液体分离法、生物发酵法和化学催化法等技术也被用于果糖分离。Al Nashef等［2］通过离子液体得到沉淀果糖纯度＞99%；Putra等［3-4］利用Saccharomyces cerevisiae选择性发酵葡萄糖，得到高纯度果糖浆（95.4%～99.9%）和乙醇；利用催化剂催化葡萄糖提纯果糖，其催化剂包括三氯化铬、Sn-Beta沸石、碱、铝碳酸镁等等，但这存在副反应，增加色值和杂质等缺点，一般需要高温反应，选择性和得率有待提高。

1.2 果糖SNB色谱分离工作原理

果葡糖浆的色谱分离方法中SMB色谱分离技术占据主导地位。20世纪80年代，美国UOP公司开发了Sarex工艺，采用填充Ca2+的离子交换树脂或分子筛分离介质的SMB用于分离果糖与葡萄糖，并实现了连续化、工业化，使F55、F90果葡糖浆的生产得到迅猛发展。后来，SMB色谱分离技术广泛应用于其他糖类、氨基酸、手性化合物、有机酸、抗生素、单克隆抗体等的分离纯化。

模拟移动床技术是由真实移动床（True Moving Bed）技术发展起来的。20世纪40年代后期出现了TMB技术，其原理是在分离过程中使固定相以适宜的速率向与流动相流动相反的方向移动，从而达到提高分离效率，缩短非吸附操作时间的目的，但存在着固定相移动困难、磨损严重等问题，最终诞生了模拟移动床技术。SMB系统通过多根色谱柱的串联，利用阀切换技术改变料液进出口位置，模拟TMB逆流连续的分离过程（图2）。

图2 四区模拟移动床示意图

SMB技术在果糖分离中具有很多优点：实现自动化连续分离；果糖纯度和收率高；树脂利用率高，资源消耗少，仅需要水和少量电；生产工艺污染低等。但也存在一些缺点，包括设备昂贵、操作要求高、自动化要求高等。

目前SMB色谱装置已成为果糖行业的标准装备，分离果糖的SMB设备的主要生产商为美国UOP公司，法国NOVASEP公司，美国Calgon Carbon公司和日本东京Nippon Rensui公司等。我国的SMB设备主要来源于国外引进，国内也在积极开发SMB设备，但多处于实验室水平。张丽莉等［5］建立了20柱4区SMB系统进行了果葡糖糖浆的分离，果糖纯度95%以上；蔡振国等［6］自制了13柱SMB简易系统，分离得到的葡萄糖纯度达85%以上；曹龙奎等［7］利用自制3-3-2-4四区SMB系统对HFCS-42进行分离，优化了操作参数，最终得到的果糖纯度达到99.91%，得率80.32%，葡萄糖纯度92.34%，得率90.13%。

2 SMB系统

2.1 固定相

对于SMB分离技术，固定相和流动相的选择至关重要。由于流动相通常采用纯净水，因此，固定相的选择尤为重要。固定相直接影响吸附选择性、保留时间和载量。

最早用于果糖和葡萄糖分离的是分子筛。固定K+的X型沸石对葡萄糖具有吸附作用，而固定有NH4+、Na+、Ca2+或Ba2+离子的沸石对果糖具有吸附选择作用。

目前广泛应用的分离介质是离子交换树脂，其较沸石具有更好的稳定、均匀性及再生性能。离子交换树脂按离子类型可分为阴离子树脂和阳离子树脂两大类，按孔隙结构可分为大孔型树脂和凝胶型树脂。强酸性阳离子树脂普遍用于果糖的色谱分离，有报道指出阴离子树脂也可用于果糖分离，但分离效果远不如阳离子树脂。Dowex Monosphere树脂广泛用于色谱分离，而Duolite C 20×4、Amberlite IR-120B、Permutit Q和Duolite C 25等树脂被用于果糖检测。国内报道的用于果葡糖浆色谱分离的树脂主要是Purolite PCR642Ca、浙江争光ZGSPC-106Ca、淄博东大化工FLC-10、罗门哈斯公司CR1320Ca、凯瑞化工KS406、江苏苏青水处理工程集团DTF-01和大庆石化总厂研究院DX-4型吸附剂。

树脂的选择性和传质系数是色谱分离性能极为重要的判断依据。对于固定床色谱，通常好的吸附剂要求对目标物质具有较大的吸附容量。而SMB色谱却不然，对树脂的利用率要求高，要求树脂吸附-解吸速度快，即传质系数k较大，对应的吸附容量一般，这有利于SMB分离。色谱分离中树脂的吸附选择性越高，分离效果越好。通过静态吸附实验能计算出果糖和葡萄糖在固相和液相中分配系数（线性等温），两者的比值即为分配比（F/G）。分配比数值越大，树脂对果糖的选择性越高。表1列出了一些果糖色谱分离树脂的相关参数。不同树脂在不同温度下，分配比各不相同，如树脂Dowex Monosphere 99/Ca在298 K下的果糖与葡萄糖的分配比为2.14，比树脂Diaion UBK555的1.92（298 K）稍高，更高于树脂Amberlite CR1320Ca的1.46（333 K），Purolite PCR642Ca的1.57（303 K）和1.55（333 K）等。随着温度升高，果糖和葡萄糖在树脂内的传质系数k逐渐上升，但果糖与葡萄糖的分配比会逐渐下降，如表1中的Lewatit MIDS 1368树脂，随着温度从25℃上升到60℃，k值分别从0.012、0.015上升到0.015和0.019，果糖与葡萄糖的分配比从2.11下降到1.66，其中当温度达到60℃及以上时分配比和k值已变化不大。

果糖色谱分离树脂一般为以苯乙烯系为骨架具有磺酸基和离子型的凝胶型离子树脂，树脂的影响因素主要为粒径、交联度和阳离子等，这些参数会直接影响树脂选择性和传质系数。

2.1.1 粒径

离子交换树脂的颗粒大小和粒径分布影响色谱柱的填充效果，如堆密度等。粒径越小，颗粒越均匀，层析柱的理论塔板数越高，分离效果越好。但粒径太小，会导致柱压增高，可能破坏树脂本身。因此，适宜的粒径对于产品的工业化生产极为重要，通常介于150～300μm之间。

树脂粒径减小能够增加其传质速率，比如：树脂Dowex 21（K）的粒径从45～75μm减小到15～40μm时，葡萄糖、蔗糖等的分离效果提高，色谱峰变得尖锐。在研究Dowex 50×8树脂分离效果时，其粒径的从150～300μm减小38～75μm，分离效果和收率增大。

2.1.2 交联度

吸附剂的强度也是一个重要的参数，影响分离性能，尤其在最大的进样速度和最小的吸附剂逆流速度时。交联剂用量对孔径大小、机械强度、体积交换容量起着调控作用，影响果糖组分在树脂中的渗透和扩散。另外，果糖色谱分离是基于糖分子具有特殊的构型可以与金属阳离子结合成具有一定稳定性的络合物，交联度对阳离子在树脂中的位置结构对色谱分离也具有一定的影响。通常，用于果糖分离的Ca型阳离子树脂的交联度在2%～8%之间。

2.1.3 阳离子

常用的果糖分离阳离子树脂为Ca型。Goulding根据核磁共振和电镜数据提出了碳水化合物与金属离子络合的理论，认为Ca2+是最佳的选择。Nobre等［8-9］研究了DowexMonosphere 88和DowexMonosphere 99K/320上果糖、葡萄糖和蔗糖的分配系数，发现25℃下Na+和K+上的分配比（F/G）分别为1.07、1.25，40℃下分别为1.01、1.18。

表1 常用树脂的分配系数和传质系数等相关参数

2.2 SNB设备

2.2.1 阀系统

阀系统是SMB设计和组建的核心部件，不同的阀系统设计直接影响操作单元的灵活性及SMB应用。灵活的SMB单元可以通过阀切换迅速改变单元构造，形成新的单元旁路，开环操作形式以及能否额外添加柱塔或异步端口切换等。

SMB阀设计分为两大类：中心式和分散式。中心式分为UOP系统和ISEP系统；分散式阀设计可分为四-二通阀、2SD1C、1SD1S和1ST1C。其中，2SD1C表示单柱2个SD阀；1SD1S表示单通道单SD阀；1ST1C表示单柱单ST阀。不同的阀具有不同的优势，需要根据需要合理选择。

2.2.2 自动化控制

自动化和控制操作单元对于连续化生产十分重要。很显然，越复杂的操作模式，如步切换或者ISMB需要更加复杂的自动化控制系统。目前SMB单元的自动化控制已被广泛研究，要实现其连续自动化，就要深入了解SMB分离操作中在柱和管道内的吸附动力学、流体动力学、死体积等参数。

3 SMB色谱分离模型

由于影响SMB分离过程的参数很多且相互影响，为了研究SMB分离的机理，解决自动化程度不高和难以确定最佳运行点等问题，SMB系统的理论模型是深入研究和优化的基础。

SMB的理论模型一般有两种研究思路：1）直接对SMB系统建模，固定相不动，考虑周期性地切换改变进出点位置，求解复杂，如利用Node方程；2）将SMB系统等价于TMB系统，考虑固定相和流动相的逆流流速，得到简化后的连续逆流吸附平衡方程。一般模拟得到的方程由吸附等温线方程、传质速率方程、质量守恒方程及初始和边界条件组成，如平衡扩散模型、通用速率模型、混合逻辑动态模型等。

果糖葡萄糖分离中，TMB模型较动态SMB模型拟合效果好。Beste等［15］采用8根填充钙型树脂的色谱柱组成的SMB，利用静态TMB模型、动态SMB模型和动态单柱模型进行模拟，发现TMB模型可较好地预测模拟分离过程，其中延迟体积对模型参数影响较大。Lee［12］认为TMB模型模拟结果较SMB模型更符合果糖和葡萄糖的SMB分离过程。

4 SMB色谱分离过程优化

在SMB系统的过程优化中，三角理论和驻波设计是最常用的方法，通过这些方法可以估算模拟SMB层析的最佳工作状态，从而对SMB的工作单元进行优化设计，再根据实验操作进行修正，一般可以达到较好的效果。

用于果葡糖浆分离的SMB设备一般为传统的4区SMB系统，色谱柱数为8～12不等，主要优化参数为进样浓度、进样量、温度、切换时间、洗脱速率、树脂、色谱柱等等。其中果糖SMB色谱分离温度一般为50～80℃之间，可以阻止或减少微生物生长，提高溶解度，降低粘度和压力。一般的色谱柱高径比在11～30之间。

Beste等［15］对SMB技术分离果糖和葡萄糖进行了优化，在保证产量的条件下，发现通过采用低效率的固定相，同时降低流速，在分离温度为80℃条件下，可将吸附剂的耗费量减少70%。Mun［18］利用驻波设计对SMB分离糖化合物进行了优化，发现分别改变色谱柱高度和树脂类型可以提高柱床利用率和产量，其中单独增加柱高，收率略微提高。而将Dowex99 resin（320μm）树脂改换为Amberchrom-CG161C（120μm）树脂时，果糖收率提高7倍左右，同时优化固定相和柱高，收率可以提高11倍。Ramani等［19］利用遗传算法优化了SMB分离工艺，针对不同的目标进行不同的优化设计，可只以果糖的产率和纯度为目标进行优化，也可以同时优化两种糖的产率和纯度。通过协调柱高、结构配置、切换时间、洗脱液和残余液流速等条件，最后优化步切换时间可以有效的提高纯度和产率，吸附剂的使用量减少30%。同时发现，利用优化步切换后的8柱SMB系统分离得到的果糖纯度与产量与12柱SMB系统相当。Suvarov等［20］利用离散时间模型优化了SMB分离工艺，调节液体流速和改换流向等操作，从而更好地管理柱内的吸附和脱附波动，得到较优的产率和纯度，较好地适应果糖-寡糖（线性吸附等温线）和环戊酮-环庚酮竞争性（Langmuir吸附等温线）的SMB分离。Long等［21］利用四区域SMB分离D-阿洛酮糖和D-果糖，树脂为200～400目的Dowex 50WX4-Ca2+，通过吸附平衡方程确定操作条件，得到果糖收率和纯度分别为99.06%和99.53%，D-阿洛酮糖收率和纯度分别为99.04%和97.46%。Lee［12］根据果糖和葡萄糖的线性吸附等温线，通过LDF近似法计算传质常数，深入研究传质影响，从而优化了SMB的操作工艺，得到果糖纯度达99%以上。

5 展望

随着SMB技术的快速发展，已经可以对三元、四元的组分进行分离。反应与分离技术耦合也是SMB技术发展的重要方向，如直接偶联酶催化工艺和SMB色谱工艺的SMB反应器（SMBR）技术能一步自动化操作就能得到适合结晶的高纯度果糖液，使得果葡糖浆和结晶果糖的生产更加系统、简便。随着对SMB技术的深入研究，我国的SMB技术将会快速发展，除果葡糖浆的分离外，还将广泛应用于生物发酵、精细化工、食品医药等领域。

［1］KUPTSEVICH Y E，LARIONOV O G，STALNAYA I D，et al. Chromatographic separation of glucose and fructose［J］.Russian Chemical Reviews，1987，56(3)：299-306.

［2］AL NASHEF IM，GAILY M H，AL-ZAHRANI S M，et al. Method for separating fructose and glucose：US，0283093［P］. 2009-10-19.

［3］PUTRA M D，ABASAEED A E，ZEINELABDEEN M A，et al. Selective fermentation of pitted dates by S.cerevisiae for the production of concentrated fructose syrups and ethanol［J］.Journal of Physics：Conference Series，2014，495：012-034.

［4］PUTRA M D，ABASAEED A E，AL-ZAHRANISM，etal.Production of fructose from highly concentrated date extracts using Saccharomyces cerevisiae［J］.Biotechnology Letters，2014，36(3)：531-536.

［5］张丽莉，张少倩，李磊.移动床亲合色谱在分离果葡糖浆工业生产中的应用［J］.广东化工，2008，35(2)：55-57.

［6］蔡振国，李兆星，孔伟.模拟树脂移动床实验装置的建立及其在果葡糖分离中的应用［J］.离子交换与吸附，2010，26(5)：470-474.

［7］曹龙奎，王菲菲，于宁.模拟移动床利用安全因子法分离第三代高纯果糖［J］.食品科学，2011，32(14)：34-39.

［8］NOBRE C，SANTOSM J，DOMINGUEZ A，et al.Comparison of adsorption equilibrium of fructose，glucose and sucrose on potassium gel-type and macroporous sodium ion-exchange resins［J］.Analytica Chimica Acta，2009，654(1)：71-76.

［9］PEDRUZZI I，SILVA D，RODRIGUESA E.Selection of resins，equilibrium and sorption kinetics of lactobionic acid，fructose，lactose and sorbitol［J］.Separation and Purification Technology，2008，63(3)：600-611.

［10］LUZD A，RODRIGUESA K O，SILVA FR C，et al.Adsorptive separation of fructose and glucose from an agroindustrial waste of cashew industry［J］.Bioresource Technology，2008，99 (7)：2455-2465.

［11］AZEVEDO D C S，RODRIGUESA.SMB chromatography applied to the separation/purification of fructose from cashew apple juice［J］.Brazilian Journal of Chemical Engineering，2000，17(4-7)：507-516.

［12］LEE K.Effects ofmass transfer on simulated moving bed process［J］.Korean Journal of Chemical Engineering，2009，26(2)：468-474.

［13］MOSTAFAZADEH A K，SARSHAR M，JAVADIAN S，et al. Separation of fructose and glucose from date syrup using resin chromatographic method：Experimental data and mathematical modeling［J］.Separation and Purification Technology，2011，79 (1)：72-78.

［14］AZEVEDO D C S，RODRIGUES A E.Separation of fructose and glucose from cashew apple juice by SMB chromatography［J］.Separation Scienceand Technology，2005，40(9)：1761-1780.

［15］BESTE Y A，LISSOM，WOZNYG，etal.Optimization of simulated moving bed plants with low efficient stationary phases：separation of fructose and glucose［J］.Journal of Chromatography A，2000，868(2)：169-188.

［16］VANKOVA K，GRAMBLICKA M，POLAKOVIC M.Singlecomponent and binary adsorption equilibria of fructooligosaccharides，glucose，fructose，and sucrose on a ca-form cation exchanger［J］.Journal of Chemical and Engineering Data，2010，55(1)：405-410.

［17］GRAMBLICKA M，POLAKOVIC M.Adsorption equilibria of glucose，fructose，sucrose，and fructooligosaccharides on cation exchange resins［J］.Journal of Chemical and Engineering Data，2007，52(2)：345-350.

［18］MUN S.Improving performance of a tandem simulated moving bed process for sugar separation bymaking a difference in the adsorbents and the column lengths of the two subordinate simulated moving bed units［J］.Journal of Chromatography A，2013，1277：48-57.

［19］SUBRAMANIH J，Hidajat K，Ray A K.Optimization of simulated moving bed and Varicol processes for glucose-fructose separation［J］.Chemical Engineering Research and Design，2003，81(5)：549-567.

［20］SUVAROV P，KIENLE A，NOBRE C，et al.Cycle to cycle adaptive control of simulated moving bed chromatographic separation processes［J］.Journal of Process Control，2014，24 (2)：357-367.

［21］LONG N V D，LE T H，KIM J L，et al.Separation of D-psicose and D-fructose using simulated moving bed chromatography［J］.Journal of Separation Science，2009，32(11)：1987-1995.

（责任编辑：朱小惠）

Advance in fructose separation using simulated moving bed chromatography technology

JIANG Xiawei1，2，WANG Yajun1，2，ZHENG Yuguo1，2
(1.Institute of Bioengineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；2.Engineering Research Center of Bioconversion and Biopurification of the Ministry of Education，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China)

Application of the Simulated Moving Bed(SMB)chromatography technology in fructose separation from high fructose corn syrup was reviewed in this paper.It was systematically introduced in terms of working principle，stationary phase，valve system，automation control，mathematical modeling and process optimization，providing recommendations for domestic crystalline fructose and high purity fructose syrup industry development.

fructose；simulated moving bed chromatography；high fructose corn syrup

TQ02

A

1674-2214(2015)04-0055-06

2015-04-08

国家自然科学基金资助项目（21476209），浙江省重大科技专项计划项目（2013C02027）

姜夏伟（1989—），男，浙江兰溪人，硕士，研究方向为生物化工，E-mail：jiangxiawei2012@163.com.通信作者：郑裕国教授，E-mail：zhengyg@zjut.edu.cn.