（化工过程机械专业论文）甘露醇制备的集成反应分离技术及实验研究.pdf

浙汀大学硕士学位论文摘要 摘要 甘露醇是一种重要的精细化工产品，广泛应用于医药、食品、化工及相关领域。随着 科学研究的不断深入，甘露醇的应用领域还在不断拓宽。集成反应分离装备是将反应器制 备与机械分离提取相耦合的机电一体化高新技术装备，在制药，食品和能源等的化工过程 中具有重要的应用前景。特别是对于多组分混合产物，集成反应分离方法是高效率获取高 纯度产品的有效途径，其应用可以极大地减少有机溶剂对环境的污染，连续高效的一体化 生产能大大节省能源，其研发紧密贴合当前“绿色化工”和“节能减排”的重要发展方向。 为了经济而又绿色地得到高品质的甘露醇，本论文采用理论研究与实验相结合的方 法，对甘露醇集成反应分离技术与装置进行了系统研究，取得了颇具应用价值的研究成果。 在本论文中，首先给出了电化学反应葡萄糖与色谱连续分离相耦合来制备甘露醇的基 本思路，通过比较几种连续色谱分离装备的特点，提出了用本课题组独创的多元分流式集 成反应分离系统来制备甘露醇的装备设计思路，阐述了系统运行过程及其控制方法，从而 为集成反应分离实验研究提供了理论基础。 然后，按照以上设计思路，搭建了实验硬件、软件平台，进行了多组电化学反应实验， 通过分析测定，确定控制时间内电化学还原葡萄糖制得的产物作为反应分离耦合实验的原 料，进行了葡萄糖与甘露醇等的分离性能实验研究；通过多组单色谱柱分离实验获得了最 佳洗脱速度、原料液进样量及控制时间等，为进一步进行多柱、多组分集成反应分离提供 了工艺控制参数；在多柱分流和多柱串联实验与结果分析之上，对集成反应分离装置的耦 合性能进行了系统研究，获得了集成反应分离工艺的控制流程及甘露醇制备的最佳工艺路 线，确保其具有较高的回收率和纯度等。实验研究系统地论证了多元分流式集成反应分离 制备甘露醇技术与装备的效能，为进一步的体系建模和仿真提供了必需的实验方法和实验 数据。 最后，根据反应分离过程中的相问传质特性，建立了耦合分析计算的偏微分方程，并 利用吸附等温线方程进行耦合，结合系统的实际初始、边界条件，建立了葡萄糖与甘露醇 连续色谱分离的数学模型；通过对体系模型进行仿真，获得了两组分在色谱柱内的浓度分 布曲线和出口处的分离曲线，并将计算结果与实验曲线进行了对比。结果表明，两者吻合 较好，从而验证了本论文建立的数学模型的有效性和正确性。仿真结果能较好地预测该产 品的集成反应分离过程特性，其方法可为新型集成反应分离系统设计提供理论指导。 关键词：色谱，集成反应分离技术，甘露醇制备，数值模拟 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t m a r m i t o li sa ni m p o r t a n tf i n ec h e m i c a lp r o d u c tw i d e l yu s e di nm e d i c i n e ，f o o d ，c h e m i c a l i n d u s t r ya n do t h e rr e l a t e df i e l d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n t i f i cr e s e a r c h ，t h ea p p l i c a t i o n o f m a n n i t o li sc o n t i n u o u s l yw i d e n i n g t h ea p p l i c a t i o no fr e a c t i o n s e p a r a t i o ni n t e g r a t e dd e v i c e s ， w h i c hi se l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t e dh i g h - n e wt e c h n o l o g ye q u i p m e n tc o m p o s e do ft h e c o u p l i n go fr e a c t o r sf o rp r e p a r a t i o na n dc h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o nd e v i c ef o re x t r a c t i o n ，i s g r a d u a l l ye x t e n s i v ei nc h e m i c a lp r o d u c t i o np r o c e s s e ss u c ha sm e d i c i n e r e a c t i o n - s e p a r a t i o n i n t e g r a t e dt e c h n o l o g yi st h em a i np r o c e s st og e th i g h - p u r i t yp r o d u c t sw i t hh i g he f f i c i e n c y e s p e c i a l l yf o rs o m em i x e dp r o d u c t s ，w h o s ea p p l i c a t i o nc a nr e d u c et h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n b yo r g a n i cs o l v e n tg r e a t l y t h ee f f i c i e n tc o n t i n u o u sp r o d u c t i o nc a ns a v ee n e r g yg r e a t l y , a n dt h e r e s e a r c hc l o s e l yf i tt h ec u r r e n ti m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o no fg r e e nc h e m i s t r y , e n e r g y c o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o n i no r d e rt oo b t a i nt h eh i g h q u a l i t ym a n n i t o le c o n o m i c a l l ya n ds a f e l y , r e s e a r c ho nt h e r e a c t i o n s e p a r a t i o ni n t e g r a t e d d e v i c ef o rm a n n i t o lp r e p a r a t i o nh a sb e e nd o n ew i t h b o t h t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，a n dc e r t a i nr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e d f i r s t ，i n t h i s p a p e r ，t h e b a s i cp r i n c i p l e so ft h ep r e p a r a t i o no fm a n n i t o l t h r o u g h e l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o na n dt h ec o n t i n u o u sc h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o na r ed e s c r i b e d t h e p r i n c i p l e sa n dd i f f e r e n c eo fs e v e r a lk i n d so fc o n t i n u o u sc h r o m a t o g r a p h yi si n t r o d u c e da n d a n a l y z e d t h eo r i g i n a lc o n c e p to ft h es h u n tm u l t i p l er e a c t i o n s e p a r a t i o ni n t e g r a t e ds y s t e mi s p r o p o s e da n dt h eo p e r a t i o na n dc o n t r o lp r o c e s sa r ei n t r o d u c e db r i e f l y , w h i c hp r o v i d e sa t h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h el a t t e re x p e r i m e n t s e c o n d ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mf o rt h ee x p e r i m e n ta r ei n s t a l l e di na c c o r d a n c e w i t hd e s i g ni d e a s t h es p e c i f i ce x p e r i m e n t a ls t u d yo fs e p a r a t i o np e r f o r m a n c eb e t w e e nm a n n i t o l a n dg l u c o s ei sp e r f o r m e d t h ep r o c e s sc o n t r o lp a r a m e t e r ss u c ha sb e s tr a t eo fe l u a t e ，l i q u i df e e d r a t ea n ds w i t c h i n gt i m ei nt h es e p a r a t i o no fg l u c o s ea n dm a n n i t o lw e nf o u n dt h r o u g hm a n y s i n g l e c o l u m ne x p e r i m e n t s ，w h i c hp r o v i d ep a r a m e t e r s f o rf u r t h e rm u l t i - c o l u m na n d m u l t i c o m p o n e n ts e p a r a t i o n o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ff u r t h e rm u l t i s t r e a m i n g a n dm u l t i c o l u m nc h r o m a t o g r a p h yc o l u m n se x p e r i m e n t s ，t h ef l o w s h e e ta n de f f e c t i v ep r o c e s s c o n d i t i o n sa r eo b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yd e m o n s t r a t e st h ep e r f o r m a n c eo fs h u n tm u l t i p l e i i i 浙江大学硕士学位沦文a b s t r a c t r e a c t i o n s e p a r a t i o ni n t e g r a t e dt e c h n o l o g ya n dd e v i c e ，a n dp r o v i d e st h en e c e s s a r ye x p e r i m e n t a l m e t h o d sa n dt e s td a t af o rf u r t h e rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h es y s t e m s a tl a s t ，b a s e do nt h ei n t e r p h a s em a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ci nr e a c t i o n s e p a r a t i o np r o c e s s ， t h ep a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n sf o rt h ec o u p l i n ga n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o na r ee s t a b l i s h e d c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a li n i t i a la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h ea d s o r p t i o ni s o t h e r me q u a t i o n sa r e c o u p l e dw i t hp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n st oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n t i n u o u s c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o no fg l u c o s ea n dm a n n i t 0 1 t h r o u g ht h es i m u l a t i o no fs y s t e mm o d e l ， t h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nc u r v e si n s i d et h ec o l u m na n dt h es e p a r a t i o nc u r v e sa tt h eo u t l e t a r eo b t a i n e d a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lc u r v e s ，w h i c h s h o w sg o o da g r e e m e n ta n dv e r i f yt h ev a l i d i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l e s t a b l i s h e di n t h i sp a p e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r e d i c tc h a r a c t e r i s t i c so fr e a c t i o n s e p a r a t i o n i n t e g r a t e dp r o c e s so ft h ep r o d u c t s ，a n dt h em e t h o dc a np r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rd e s i g n o ft h en e w i n t e g r a t e dr e a c t i o n - s e p a r a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：c h r o m a t o g r a p h y ，r e a c t i o n s e p a r a t i o ni n t e g r a t e dt e c h n o l o g y ，m a n n i t o lp r e p a r a t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 浙汀大学硕士学位论文符号表 符号表 总孔隙率 粒子之间的孔隙率 颗粒内部孔隙率 柱的空体积 填料粒径 轴向扩散系数 分子扩散系数 涡流扩散系数 与填料形状及填充情况有关的常数 溶剂b 的黏滞系数 溶质分子a 的平均体积 反应溶剂性质的常数 吸附过程的速率系数 脱附过程的速率系数 相闻传质系数 两相平衡时组分在流动相中浓度 单位时间内通过单位横截面积的组分的量 单位体积填料颗粒所具有的表面积 孔内扩散系数 表面扩散系数 表面扩散所需的激活能 谱带的二次中心矩 板高 柱长 组分在固定相中的浓度 组分在流动相中的浓度 相比 吸附常数 所有层都吸附满时的浓度 i 组分在流动相中的浓度 i 组分在固定相中的浓度 两相平衡时组分在固定相中的浓度 v t巳0以见见见以一n吃力0c，4皿w屹l g c f g e q 毋。毋 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王起平签字目期：加d年弓月0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥姿盘堂有权保留并向国家有关部i - j 或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江大堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 且， 学位论文作者签名：王裂匕 平导师签名：方饧 也 签字日期：邯i o 年弓月f 0 日签字日期：劢，d 年弓月，c ，e t 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 时光飞逝，转眼间我的毕业论文写作已接近尾声了，同时也标志着我即将结束研究生 生涯，步入人生的另一个阶段，在这临别之际，有很多感慨，但最重要的是对帮助和关怀 过我的师长、同学、亲友们表示我由衷的感谢。 感谢我的导师杨健副教授，他以广博的学识、严谨的科研态度、丰富的实践经验和活 跃的思维深深教导了我。导师乐观、大度和自信的生活态度也时刻影响着我，他在百忙之 中仍悉心指导我的课题研究，总在最重要的关头给我指明了前进的方向，让我受益匪浅。 值此论文完成之际，谨向导师致以我崇高的敬意和衷心的感谢。 感谢贺世正教授在平时工作和学习中给我的鼎力支持和悉心帮助。贺老师严谨的治学 精神、乐观的生活态度都值得我学习，在此向贺老师致以深深的谢意。 感谢我的师姐唐萍，她在我课题开展和论文完成过程中给了我无私的帮助，特别是在 我的课题研究过程中，唐萍师姐和我交流密切、通力协作，对我的研究工作提供了很多宝 贵的意见，使我的课题进展顺利，正因为她的帮助，才有了本文的顺利完成，在探讨与学 习中，也让我开阔了视野，广博了知识。在这两年多的时间里，在教四1 2 4 室与各位师兄、 师姐、师弟们共同度过的时光将是我人生中一段值得珍藏的回忆，在此，我向他们表示深 深的谢意和良好的祝福，祝愿他们都有一个幸福美满的将来，他们是：叶建军、刘刚、赵 磊、郭进兴、徐超。 感谢我的父母和姐姐，你们对我默默无私的奉献和无微不至的关心，是我最大的动力。 感谢化机0 7 研的所有同学们，以及这些年陪我走来的朋友。特别是：郭明燕、程焕 英、刘海红、丁瑜、杨萌、张双艳、刘金玲，很高兴曾经与你们一起度过一段美好的时光， 感谢一直以来你们对我的支持与包容，我会永远将这份友谊珍藏于心。祝福大家都事业有 成、家庭幸福。 仅以此文，献给那些关心过我帮助过我的人们。 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文绪沦 1 绪论 1 1 课题背景及意义 “绿色化工”和“节能减排是当前国家的两大重要发展方向。如何从天然 资源中获取高附加值产品而不污染环境，实现生产过程绿色化、生态化和自动化， 最大程度节约能源、降低有害物排放等是现代工业追求的目标。集成反应分离是 一种将反应器制备与机械分离提取相耦合的一体化装备技术，在制药、食品和能 源等的化工过程中具有重要的应用前景，特别是对于多组分混合产物，集成反应 分离法是高效率获取高纯度产品的有效途径。集成反应分离装备作为机电一体化 的高新技术装备，可推广应用于甘露醇、木糖醇、壳寡糖、丁二酸和乳酸钙等资 源性产品，其应用可以极大地减少有机溶剂对环境的污染，连续高效的一体化生 产能大大节省能源，其研发紧密贴合当前绿色化工和节能减排的重要发展方向。 甘露醇( d m a n n i t o l 或m a m i t e ) 学名己六醇，又名d 甘露醇、木蜜醇，分子式 c 6 h 1 4 0 6 ，与山梨醇是同分异构体【。甘露醇是一种无色或白色针状或斜方柱状 晶体或结晶性粉末，具有清凉甜味，甜度约为蔗糖1 的4 0 5 0 2 1 。甘露醇广泛存 在于植物的叶、茎、根等中，在食用菌类、地衣类及胡萝卜、海带中含量较多i s - s ， 是一种重要精细化工产品，广泛应用于医药、食品、化工及相关领域。随着科学 研究的不断深入，甘露醇的应用领域正在逐步拓宽【6 】。 在医学上，甘露醇是良好的利尿剂，可用作药片的赋形剂，甘露醇注射液是 一种良好的高渗降压剂，是一种临床抢救脑部疾病常用的药物。此外；还可以用 于抗癌药、抗菌药、抗组胺药和维生素等大部分片剂，也可用于醒酒药。在临床 上，甘露醇广泛应用于治疗脑积水、降低颅内压，眼内压、肾功能衰竭及针剂配 料，同时还可作为防止早期肾功能不全的药物中间体和脑血管舒张剂。在食品领 域，由于其不吸湿、甜度适中、热量低、无毒副作用，且在体内代谢与胰岛素无 关，故用于1 2 香糖、麦芽糖、年糕等食品的防粘剂，并被广泛用作糖尿病人及肥 胖病人的甜味剂及食品添加剂。在工业上，甘露醇可用于生产硬脂甘露醇酯、松 香酸酯及人造甘油树脂、表面活性剂、炸药、雷管( 硝化甘露醇) 、甘露醇硬脂 聚氨酯泡沫塑料、改性甘露醇、醇酸树脂( 用于涂料) 、电镀液的抗氧化剂和稳定 剂、植物生长调节剂、果蔬贮藏处理剂等f 7 】。在化学分析中用于硼的测定，生物 浙江大学硕士学位论文绪论 检测中用于细菌培养剂。总之，甘露醇在医药、食品、农产品加工和化工等许多 方面有着非常广泛的用途 8 ) o 海带提取法是最早的甘露醇生产方法，由于近年来海带中海藻胶及甘露醇含 量呈下降趋势，且蒸发过程中能耗大，污染重，海带提取法日益缺乏市场竞争力 9 - 1 0 。现阶段甘露醇的生产方法很多，其中采用葡萄糖为原料生产甘露醇的工艺 有循环异构法和双异构法【1 2 】。目前，电化学反应器已广泛应用于化工、能源、 冶金、机械、电子和环保等各个部门，电化学生产工艺已发展成为一门比较成熟 的技术。采用电解葡萄糖生产甘露醇，设备简单，工艺温和，避免了高温高压设 备及易燃易爆的氢气带来的危险。但是，由于葡萄糖电解后所得到的是多组分混 合物，如何有效地从中分离提取出能达到所需纯度要求的甘露醇产品，是一项颇 具吸引力的分离技术。近年来，色谱分离技术在工业制备中的应用日趋广泛，尤 其是在制药、精细化工和生物工程等领域，甚至对于某些多组分混合物而言，其 是获得高纯产品的唯一方法，例如大部分的手性物质( c h i r a l ) 以及一些沸点相 近、或分子量大、或热敏性相近的有机混合液 1 3 - 1 6 】。而如何将反应器制备与机械 分离提取相耦合，通过新颖集成反应分离技术与装备高效率获取高纯度产品更是 一项全新的挑战。 因此，本论文研究主要是基于电解葡萄糖法制备甘露醇，采用与连续色谱分 离相耦合的提取工艺，开发甘露醇制备的集成反应分离技术与装备。从机理研究、 实验研究和仿真模拟等方面全方位探索其原理、设计和工业应用，研究方法和结 果可以为新型集成反应分离系统设计提供方法指导和基础实验数据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 甘露醇制备技术的发展 在现有技术中，工业上主要有以下几种制备甘露醇的方法： 1 ) 海带提取法：干海带中含有5 1 5 的甘露醇，可经过浓缩后，用物理 结晶的方法提取，此法提取的甘露醇质量差，过滤难，热源高，不适合于医药用， 而且此法耗费大量的蒸汽、能量和人力，生产成本比较高。 2 ) 以果糖为原料：果糖加氢后，得到甘露醇与山梨醇各占一半的混合醇， 通过结晶可制得甘露醇，理论上产率为5 0 ，但果糖价格较高，且国内生产高纯 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 果糖的技术不成熟，因此用纯果糖或高纯果糖为原料生产甘露醇是不符合工业化 大规模生产的要求。 3 ) 以甘露糖为原料：甘露糖经加氢可全部转化为甘露醇。但纯甘露糖的来 源成问题，也不符合工业化生产的要求。 4 ) 以蔗糖为原料的合成法：将蔗糖水解，得到1 2 果糖和葡萄糖的转化糖， 精制后进行加氢反应，所得混合醇中甘露醇在2 5 2 7 左右，其他为山梨醇。 经精制后得到的成品甘露醇收率只有2 0 左右，此法只利用了蔗糖水解后的果糖 组份，所得的甘露醇的产率较低，大部分产品为价值较低的山梨醇，且山梨醇中 还含有8 左右的甘露醇，质量较差，此法已有工业化生产应用。 5 ) 以葡萄糖为原料：将葡萄糖进行差向异构转化成甘露糖( 转化率一般为 2 7 3 3 ) 将转化糖加氢可得到3 0 左右的甘露醇山梨醇的混合物，经结晶制得 甘露醇产品，此法已有工业化生产装置，但收率不高，只达到2 4 一2 6 。如果 将差向异构化后的糖液再用葡萄糖异构酶进行酶异构，将有3 0 左右的葡萄糖转 化成果糖，这样，经差向异构及酶异构后，糖液中含甘露糖为3 0 3 3 ，含果 糖2 8 3 0 ，剩余为葡萄糖，经加氢后所得混醇的甘露醇含量可达到4 2 左右， 结晶提取的甘露醇产率为3 5 左右，其余为山梨醇。这种方法国外应用较多。 以上所述的各种生产甘露醇的生产方法，有的根本无法实现工业化生产，有 的耗电量、耗汽量较高，生产成本高，已被淘汰。 目前甘露醇的主要生产国有美国、澳大利亚、瑞士、日本、巴西和中国。国 外甘露醇主要生产企业有美国i c i a 公司、荷兰c h e i m ec o m b a r a t i c 公司、巴西g e t e c 公司、日本协和发酵及东和化成两家株式会社、澳大利亚i c i a 公司、瑞士h e f t i a k t i e n g e s e l ls c h a f l 公司、法国r o q u e a c 公司等。 我国沿海地区的海洋化工厂生产甘露醇已有4 0 3 年的历史，主要从海藻提碘 和海藻酸钠后的废水中提取甘露醇1 7 1 。由于受产量限制，从2 0 世纪7 0 年代开始， 江西发酵工业研究所、湖南轻工业研究所、广西南宁有机化工厂与广西轻工业研 究所协作，相继开始了合成法的研究。1 9 8 6 年，南宁化工研究设计院以蔗糖( 白 砂糖) 为原料，建立了甘露醇生产中试装置。1 9 9 7 年，该院建成总醇产能1 2 5 0 f f a ， 以蔗糖为原料联产甘露醇、山梨醇的生产线。目前，南宁化工研究设计院正承建 5 0 0 0 9 a 甘露醇生产装置。我国合成甘露醇在转化率及提取、结晶分离、净化等关 浙江大学硕士学位论文 绪沦 键设备与自动控制水平上与世界先进水平还有差距。采取提取法生产甘露醇的企 业主要分布在辽宁、山东、江苏等沿海地区，如日照洁晶集团股份有限公司、胶 南明月海藻工业公司、青岛字龙海藻工业公司、辽宁省黑山县制碘厂、江苏省赣 榆鸿源海藻工业有限公司连云港东方红化工厂、烟台幸福海藻工业有限公司和 蓬莱高成海藻工业有限公司等。采用合成法的企业主要有：石家庄华兴医药化工 厂、广州昊天化学集团有限公司、济南裕膝制药有限公司、广西南宁化工研究设 计院、宜兴第二化学试剂厂、上海光华科技公司、南宁化学制药公司等。 我国甘露醇市场需求量大于产量，9 5 的甘露醇消费是直接用于生产甘露醇 注射液，此外，甘露醇还有许多重要的、颇具市场前景的下游产品亟待开发，如 合成抗肿瘤药物、心血管疾病治疗药物、抗菌药物等 1 8 - 1 9 。由于国际市场需求旺 盛，潜在市场较大，国内需要增加甘露醇的生产能力，以满足国内外的需要。因 此，本论文研究进行的采用集成反应分离法制备甘露醇是适时而必要的，具有很 高的潜在应用价值。 目前，电化学已发展成为一门比较成熟的科学【2 0 1 ，应用电化学原理发展起 来的各种电化学分析法和合成方法已成为实验室及工业流程中不可缺少的 重要手段 2 1 - 2 4 1 。 电化学反应制取方法与其它技术相比，具有独特的优点：1 ) 电化学方法具 有广泛的选择性，可以在多方面发挥作用；2 ) 阴极，阳极可同时发挥作用，它 既可以作单独处理工艺使用，也可以与其它处理工艺相结合；3 ) 无污染或少污 染性，不需添加任何氧化剂、还原剂，没有或很少产生二次污染，避免了由于添 加化学药剂而引起的二次污染，而且还可通过控制电势，使电极反应具有高度的 选择性，防止副反应发生【2 5 1 ；4 ) 电化学过程一般在常温常压下进行，其化学过 程的主要运行参数是电流和电势，易于控制和测定，且反应装置体积小、操作比 较简单、排污量小。因此，整个过程的可控程度乃至自动控制水平都较高，易于 实现自动控制【2 6 】；5 ) 电化学反应系统设备相对简单，只要设计合理，其能量效 率也比较高，操作与维护费用低，设备占地面积较小。 电化学反应器已广泛应用于化工、能源、冶金、机械、电子、环保等各个部 门 2 7 1 。电化学法与海带提取法相比生产成本更低、过程更容易控制、质量更高、 更安全可靠等，因此，采用电化学法制备甘露醇的应用前景相当看好。 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 本论文研究的目标是提出一种甘露醇制备的集成反应分离方法及装置设计， 实现反应分离一体化的工艺方法，以克服现有技术的众多不足。因此，采用电化 学法制备甘露醇不仅能很快应用于实际生产，而且还容易实现与连续色谱分离提 取工艺相耦合，为新型集成反应分离装备开发创造接口条件。 1 2 2 色谱分离技术的发展 色谱法又称“色谱分析”、“色谱分析法”、“层析法”，是一种有效的 分离与分析方法，在分析化学、有机化学、生物化学等领域有着非常广泛的应 用2 8 1 。色谱法利用不同物质在不同相态间的选择性分配，以流动相对固定相中 的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动，最终 达到分离的效果 2 9 1 。 将一滴含有混合色素的溶液滴在一块布或一片纸上，随着溶液的展开可以 观察到一个个同心圆环出现，这种层析现象虽然古人就已有初步认识并有一些 简单的应用，但真正首先认识到这种层析现象，并在分离分析方面具有重大贡 献的是俄国植物学家米哈伊尔茨维特。t s w e t t 关于色谱分离方法的研究始于 1 9 0 1 年，两年后他发表了研究成果“一种新型吸附现象及其在生化分析上的应 用”，提出了应用吸附原理分离植物色素的新方法。1 9 0 6 年t s w e r 用碳酸钙填 充竖立的玻璃管，以石油醚洗脱植物色素的提取液，经过一段时间洗脱之后， 植物色素在碳酸钙柱中实现分离，由一条色带分散为数条平行的色带( 3 0 】。由于 这一实验将混合的植物色素分离为不同的色带，将这种连续色带称为色层或者 色谱( c h r o m a t o g r a p h y ) 【3 l 】。 色谱法发明后的最初二三十年发展非常缓慢。t s w e r 并非著名科学家，他 对色谱的研究以俄语发表在俄国的学术杂志之后不久，第一次世界大战爆发， 欧洲正常的学术交流被迫终止。这些因素使得色谱法问世后十余年间不为学术 界所知，直到1 9 3 1 年德国柏林威廉皇帝研究所的库思将茨维特的方法应用于叶 红素和叶黄素的研究，库恩的研究才获得广泛认可，也让科学界接受了色谱法， 此后的一段时间内，以氧化铝为固定相的色谱法在有色物质的分离中取得了广 泛的应用，也就是今天的吸附色谱。由于t s w e t t 的开创性工作，因此人们尊称 他为“色谱学之父”，而以他的名字命名的t s w e t t 奖成为了色谱界最高荣誉奖。 液固色谱的进一步发展有赖于瑞典科学家t i s e l i u s ( 1 9 4 8 年n o b e l 浙江大学硕士学位论文绪论 c h e m i s t r yp r i z e 获得者) 和c l a e s s o n 的努力，他们创立了液相色谱的迎头法和 顶替法。分配色谱是由著名的英国科学家m a r t i n 和s y n g e 创立的，他们因此而 获得1 9 5 2 年的诺贝尔化学奖。1 9 4 1 年，m a r t i n 和s y n g e 采用水分饱和的硅胶 为固定相，以含有乙醇的氯仿为流动相分离乙酰基氨基酸，他们在这一工作的 论文中预言了用气体代替液体作为流动相来分离各类化合物的可能性。1 9 5 1 年， m a r t i n 和j a m e s 报道了用自动滴定仪作检测器分析脂肪酸，创立了气液色谱法； 1 9 5 8 年，g o l a y 首先提出了分离效能极高的毛细管柱气相色谱法，发明了玻璃 毛细管拉制机，从此气相色谱法超过最先发明的液相色谱法而迅速发展起来， 今天常用的气相色谱检测器几乎是在五十年代才发展起来的。七十年代发明了 石英毛细管柱和固定液的交联技术。随着电子技术和计算机技术的发展，气相 色谱仪器也在不断发展完善中，到现在最先进的气相色谱仪已实现了全自动化 和计算机控制，并可通过网络实现远程诊断和控制。 随着色谱技术的发展，这种方法广泛应用于分离各种无色组分，但是色谱 ( c h r o m a t o g r a p h y ) 这个名词却一直被沿用下来。色谱法首先在分析化学中获 得了巨大的成功，将色谱分离与适当的检测手段相结合便成为色谱分析法。具 有方法多样、分离效率高、灵敏度高、分析速度快和定量分析精密度高的特点。 但是，色谱分析所追求的是分离度和灵敏度，而其试样量和浓度是很小的，早 期的该项技术不适合大处理量要求的工业生产。 事实上，色谱分离是一种建立在组分选择吸附基础上的分离和分析技术。 色谱柱分离法是基于混合物中各组分与色谱柱的填料间结合力强弱的差异，即 各组分在固定相与流动相间分配系数不同的性质而使混合物中难吸附与易吸附 组分分离的技术。色谱技术能够分离物化性能差别很小的化合物。当混合物各 组成部分的化学或物理性质十分接近，致使其他分离技术很难或根本无法应用 时，色谱技术愈加显示出其实际有效的优越性【3 2 - 3 4 ，有许多其他分离方法无法 替代的优点，如能耗小、分离纯度高以及可常温操作等。色谱法从二十世纪初 发明以来，经历了整整一个世纪的发展到今天已经成为最重要的分离分析科学。 近年来，色谱分离技术在工业制备生产上的应用才日趋广泛，开始广泛地应用 于许多领域，如石油化工、有机合成、生理生化、医药卫生- 、环境保护，乃至 空间探索等，尤其是在制药、精细化工和生物工程等领域越来越受到重视【3 5 1 。 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 色谱技术依据分离机制的不同可分为吸附色谱、离子交换色谱和凝胶过滤 色谱等，按操作方式的不同又可分为间歇色谱和连续色谱两大类。最近发展起 来的连续性色谱技术主要是环型色谱、错流梯度色谱( c g c ) 和移动床( m b ) 色谱 和模拟移动床( s m b ) 技术。 1 2 3 集成反应分离技术的研究现状 在医药、食品和轻工等化学工业中，为了得到所需要的产品，通常必须控制 一定的操作条件，让原料在反应器内发生反应。由于在反应过程中还有其他副反 应同时发生，因此原料不会1 0 0 地转化成产品，产物中除了所需要的产品外， 还有副产品、未发生反应的原料及催化剂等等，这就需要适时地通过分离手段将 产品从混合状态的产物中提取出来。在早期，以上反应和分离属两个独立的化工 操作单元。随着科学技术日新月异的发展，正在形成将反应与分离一体化的新兴 技术 3 6 1 。 1 2 3 1 模拟移动床集成分离技术 在自动化程度较高的连续分离系统中，模拟移动床( s m b ，s i m u l a t e dm o v i n g b e d ) 系统最受关注，将反应与其分离耦合正在成为模拟移动床装置设计的重要 发展方向之一。对于可逆平衡反应，在反应的同时引入分离，可以突破平衡的限 制，使反应物接近于完全地转化，大大地降低整个过程的成本 37 1 。相对于反应精 馏、反应萃取等过程，在s m b 中将反应与分离结合，过程的条件温和、适应性强 同时可以获得高纯度的产品【38 1 。酯化、酯交换、烯烃- 9 醇的反应、生物降熊及很 多的生化反应都可以在s m b 反应分离器中实现。新一代s m b 集成分离工艺主要 有模拟移动床反应器、多级模拟移动床工艺、顺序模拟移动床和改进的模拟移动 床技术。 模拟移动床反应器( s m b r ，s i m u l a t e dm o v i n gb e dr e a c t o r s ) 在一个单元中 把反应和相应产品的分离综合在一起，除了明显的设备的减少，还有工艺性能的 显著提高，特别是在一些有平衡限制的反应中，但局限于某些特定的反应。典型 的例子，如浓缩、酯化、酯交换、醚化等。通过一边反应一边把产物分离出去， 反应平衡限制被打破并且被迫向反应方向移动，最终实现彻底地转化。a z e v e d o 等人利用s m b r ，将蔗糖的酶转化及葡果糖分离放在一个装置中完成，转化率达 到了9 9 ，而且两个回收产物的纯度均在9 5 以上。k a w a s e 等则对蔗糖和乳糖 浙江大学硕士学位论文绪论 在酶作用下反应生产呋喃乳糖苷进行了研究。 多级模拟移动床x 艺( j m s m b ，m u l t i s t a g es i m u l a t e dm o v m gb e d ) 为国外的专 利发明，目前主要是一个二级工艺，其是把s m b 个接一个串起来，可以进一步 地提高重叠组分的回收率和纯度，如蔗糖和甜菜碱在甜菜糖蜜中的脱糖作用。为 了适应第二个s m b 的操作要求，中间还需要一个浓缩蒸发器，但体系庞大，制造 成本较高。 顺序模拟移动床( s s m b ，s e q u e n t i a ls i m u l a t e dm o v i n gb e d ) 是传统s m b 的一种 衍生发展。其主要的改进在于；不连续地进料和产物萃出；把每个s m b 步骤再划 分为3 4 4 - 子步骤。因此，系统中的线性速度可以在每个带中得到优化，产物可 以在最优条件下萃出，有利于压力降的减少和产物纯度的提高。但缺点是效率不 高，一体化程序低。 改进的模拟移动床技术( i s m b ，i m p r o v e ds i m u l a t e dm o v i n gb e d ) 最早是由三 菱化学公司提出的。这个系统只需要少量的柱数( 一般是四柱) ，但却可以实现比 传统s m b 系统更好的分离效果。但仅适用于其所生产的产品。 1 2 3 2 多元分流式集成反应分离技术 经研究发现，在模拟移动床操作工艺中，物流均为错流形式，既存在串联式 色谱柱间的环向流动，又存在某些直通式或折流式流动，随着物流的进出，各色 谱柱间流速、流向变动频繁，分离床层内容易发生回混，并存在累积性交叉污染， 进而影响产品分离的纯度，降低工艺稳定性。对于一些物流条件不太复杂的工艺 过程，如异构体分离、超临界萃取等，模拟移动床分离技术具有较强的适用性。 特别是，目前模拟移动床分离技术仍主要适用于二组份反应分离工艺。但是，对 于日趋兴旺的生物化工、药物分离、海洋和农产品深加工等领域，常须涉及物流 状态更加复杂的过程，要求进行多组份一体化反应分离。而且，此类生产工艺一 方面迫切要求装置简单化、小型化、低成本和集成化，另一方面对产品的纯度、 操作稳定性等提出更高的工艺要求3 9 1 。因此，由“错流”模式带来的限制，就显 得尤为突出。所以，本论文相关的研究工作中已经提出并设计出了一种新颖多元 分流式集成反应分离方法及装置【4 0 1 。 该多元分流式反应分离装置的突出优点是：1 ) 装置简洁，没有复杂的单元 问流路及循环系统，易于实现装置的小型化和集成化；2 ) 操作工艺简洁有序， 浙江大学硕士学位论文绪论 分流模式有利于流动控制，低成本运行易于中小企业推广应用；3 ) 系统稳定可 靠，有利于提高产品纯度，更适合于液流复杂的生化反应分离，实现多组分连 续一体化反应分离。 1 3 主要研究内容 为了经济而又绿色地得到高品质的甘露醇，本论文采用理论研究、实验研 究和数值仿真相结合的方法，对甘露醇集成反应分离技术与装置进行了系统深 入的研究，取得了颇具应用价值的研究成果。 在第1 章中，主要介绍了课题背景、意义以及甘露醇制备技术和色谱分离 技术、集成反应分离技术等的国内外研究现状。 在第2 章中，主要给出了电化学反应葡萄糖与色谱连续分离制备甘露醇相 祸合的基本思路，通过比较几种连续色谱分离装备的特点，提出了将本研究中 独创的多元分流式集成反应分离系统用于制备甘露醇，搭建了实验硬件、软件 平台，给出了运行过程及其控制方法，从而为集成反应分离实验研究提供了理 论基础。 在第3 章中，基于电化学法制备甘露醇相关理论，进行了多组电化学反应 实验，通过分析测定，确定控制时间内电化学还原葡萄糖制得的产物作为反应 分离耦合实验的原料，进行了葡萄糖与甘露醇等的分离性能实验研究；通过多 组单色谱柱分离实验获得了最佳洗脱速度、最佳原料液进样量及控制时间等， 为进一步进行多柱、多组分集成反应分离提供了工艺控制参数。在多柱分流和 多柱串联实验与结果分析之上，对集成反应分离装置的耦合