工业层析分离技术的深层次理解：技术设计，工业案例和应用潜力

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前几期，我们介绍了工业层析技术的基本概念及分离机理，以及其在化工行业脱盐和结晶母液回收等领域的应用。（文章链接贴在文末）本期我们将重点介绍工业层析系统的设计、及其在生物化工行业的典型案例和潜在应用。

1 工业层析分离系统的设计

1.1 层析分离的载体

根据分离对象不同，工业层析分离技术的载体通常可选用离子交换树脂、分子筛以及硅胶填料等。在生物化工和精细化工行业的应用中，树脂是最为典型的层析分离载体，通常是呈阳离子形式的磺酸化交联苯乙烯和二乙烯基苯的阳离子树脂，当然，对某些特定产品，也可利用阴离子树脂进行分离。

1.1.1 层析分离树脂型式

通常情况下，需要根据分离组份的具体差异化情况，选择合适的分离介质类型，下表1中列出了用于生物化工和精细化工行业已商业化的分离介质。

表1 针对不同产品分离的介质类型

典型分离应用	分离载体
果糖/葡萄糖	钙型树脂* （亲和机理）
单糖/低聚糖	钠/钾型树脂（尺寸排阻机理）
柠檬酸	阴离子树脂（酸阻滞机理）
氨基酸母液分离	钠/钾型树脂（离子排斥机理）

*钙型树脂可以同时实现如下两种分离机理：

(1)可作为一种分子筛网：小尺寸的分子可以进入树脂颗粒的微孔而大分子则不能。

(2)与糖钙复合体的稳定性相关：只有多元醇和某些糖类（如果糖、半乳糖等）可以和钙离子形成这类复合体，其它组分（如蔗糖、葡萄糖等）则不能形成这种复合体。

1.1.2 层析分离树脂的特性对分离性能的影响

分离载体的主要物理特性包括颗粒尺寸、颗粒粒径与孔径分布，以及其承受渗透冲击的能力等。

通常而言，规则的球形，小而均一的粒径分布会实现更好的分离性能；但如果树脂粒径太小，则会使床层压降显著升高，从而造成树脂破碎率增加。

树脂对由渗透压引起的膨胀 / 收缩是非常敏感的，因此所选要具备良好的抗渗透性。机械性能是和交联度相关的，很大程度上取决于其中二乙烯苯交联剂的含量（DVB），通常这个含量为4-8%。

1.2 连续式层析分离系统

1.2.1工业级层析分离的通常要求

在层析工艺中，洗脱剂的消耗与进料体积基本成正比关系，因此需尽可能减少待分离物料的进料体积量，以减少分离过程中洗脱剂对物料的稀释，从而优化后续的蒸发/浓缩成本。

进入系统的物料须进行必要的去离子处理，以避免树脂的反离子在系统中进行离子交换而降低分离效果.

具有氧化性的物质也必须去除，为防止树脂被氧化而减少其使用寿命，通常进料流体在进入分离系统前必须进行脱气处理。

在长时间的操作过程中，可能会形成一些细小的树脂颗粒，这些颗粒会引起床层压降的升高以及流体形态的改变，因此运行一定时间后进行反洗是十分必要的。

图1 诺华赛公司连续工业层析系统

1.3 工业层析分离系统的设计

工业层析分离系统的树脂装填量通常为几十立方至几百立方，分离系统通常由4-12个分离室组成，为节约占地面积，这些分离室可以相互迭加。

1.3.1 层析分离系统的进料和洗提水需要严格的预处理　

预处理的主要目的：1）进入分离系统的物料应确保没有悬浮物，否则，树脂床层会形成深层过滤器，悬浮物会聚集在一起从而影响装置分离性能。

2）为避免产品的水解，必须调节料液至合适的PH值。同时，保持分离介质原有的离子形态对于获得最佳分离效率也是非常关键的。

1.3.2 层析塔设计

工业层析工艺对层析塔的设计要求十分严格，需要保证流体的层流分布避免返混，提高分离效率。另外，需根据系统的分离要求，设计合理的分离室数量。

在生产过程中，液体浓度变化所带来的渗透压不同，会导致树脂周期性膨胀 / 收缩。因此，在设计树脂装填量时需特别注意：装填过满，会导致内部压力过大而使设备受到机械破坏而带来危险；而装填过少，则会造成填料床层松动而降低分离效率。这不仅对设计时工艺参数的确定及优化提出非常高的要求，而且还需要一些专门的辅助设备来满足工业系统的安装需要。

1.3.3 分布器与收集器

要大规模生产高纯度的产品，液体的分布器和收集器设计是十分关键的，尤其在采用大直径层析塔的情况下更需注意这一点。从整体性能来说，最终设计应做到机械强度好、便于维修、保证液体的平推流运动，避免短路（沟流）、涡流、返混等，同时最大化树脂的利用率。

目前，诺华赛公司提供的最大规模的层析塔直径可达到5米以上，用于分离年产10万吨以上的产品。

2 层析分离技术的工业化应用

诺华赛公司在工业层析技术发展及其应用拓展过程中积累了丰富的项目研发、工艺设计和工程化经验，其所拥有的Applexion^TMSC层析技术在有机产品脱盐、脱酸、结晶母液回收、异构体分离，以及单体与低聚物分离等方面均有比较多的应用案例，已为客户带来非常显著的经济和社会效益。

2.1 柠檬酸无石膏生产工艺

传统的柠檬酸生产为钙盐法，以化学反应为基础，即使原料液中的柠檬酸与碳酸钙反应生产柠檬酸钙，然后用硫酸进行酸解释放出柠檬酸，同时会产生大量硫酸钙废弃物。采用该工艺，每生产1吨柠檬酸要消耗0.5吨硫酸和0.5吨碳酸钙，同时排放约1.5吨的湿硫酸钙。处理如此大量的湿硫酸钙不仅成为企业的沉重负担，也对环境造成了严重污染。

柠檬酸的层析分离工艺是基于酸阻滞原理，柠檬酸分子进入树脂微孔而移动速度较慢，而残糖与树脂不产生亲和力所以移动速度较快，盐分和其它大分子分别因离子排斥效应和尺寸排阻效应，同样移动较快。由于柠檬酸和其它杂质组分的移动速度不同，从而在树脂床层上实现了分离。

截止目前，诺华赛公司所开发的柠檬酸层析分离工艺，在世界范围内已有10余个工厂在稳定运行，每年通过该工艺生产的柠檬酸约40万吨。层析工艺无需消耗任何化学品，生产过程完全不产生石膏，是一种绿色环保的工艺。

2.2 基于Applexion^TMSC的赖氨酸连续离交工艺

连续式离子交换系统因其树脂利用率高、排污少、效率高等诸多优点，在食品及生物化工行业已取得广泛应用。相较于传统的间歇式离子交换分离系统，其优点为：

稳定的产品浓度和高回收率
树脂用量仅为间歇离交工艺的1/5 – 1/2
极大的减少废水排放量（通常减少50%以上）
减少工厂占地面积
增强了系统的可靠性
智能控制系统，操作灵活可靠

诺华赛公司基于其Applexion^TMSC连续层析工艺的设计理念及自控平台，开发了连续离子交换系统，该工艺在延续传统的机械大阀式连续离交优点的同时，进一步克服了其机械结构的一些固有缺陷。使系统的可靠性和稳定性大为加强，该工艺已在全球范围内替换了数套传统转盘式系统，为客户带来了更好的技术保障和生产效益。

通过自动控制阀门实现连续离交操作，更经济，且更易于调整工厂的生产能力；
产品收率高（99%）, 产品稀释少；
彻底解决了转阀系统的树脂堵塞、转阀易磨损的缺点，基于Applexion^TMSC的连续离交无移动部件；
基于诺华赛公司特制自控阀门，相较于传统连续离交工艺具有更好的稳定性且易于维护；
几乎没有产能极限限制，且非常易于在原系统上扩增产能 ……

以赖氨酸的生产为例：发酵液用酸进行PH值调整，然后经陶瓷超滤膜去除菌体和部分蛋白后进行下游处理。其系统的典型配置如下图所示。

图2 基于Applexion^TMSC的赖氨酸连续离交

目前该技术已在国际最主要的赖氨酸生产企业如美国ADM、韩国CJ等在世界各地的工厂大量使用，每年利用该技术生产98.5%赖氨酸约60万吨。

2.3 果糖生产

除了石化行业的二甲苯分离之外，从分离产能上看，果糖与葡萄糖分离是工业层析技术的第二大应用。全球目前约有1200万吨的果糖/葡萄糖分离装置，主要分布在美国、中国和日本。诺华赛公司从2006年为中国提供第一套果糖层析系统开始，至今已为中国市场提供了约450万吨的果糖分离装置，目前通过可口可乐与百事可乐认证的果糖工厂中，约75%采用了诺华赛公司的工业层析系统。