趙武新

（聊城萬合工業(yè)制造有限公司，山東聊城252022）

0 引言

麝香是名貴的香料，同時又是臨床上的珍貴藥材。自從麝被作為珍稀動物保護起來以后，天然麝香已經很難獲得。麝香酮即3-甲基環(huán)十五酮（3-Methyl-cyclopentadecanone）是麝香的主要成分。麝香酮的人工合成與高純度、高收率的分離純化成為許多合成化學工作者追求的目標。

在工業(yè)化的人工麝香酮的合成過程中，不可避免地會生成一些副產品、衍生物或異構體。傳統(tǒng)的分離純化系統(tǒng)一般都是由玻璃層析柱和設置在較高位置上的溶劑罐所組成。

筆者參與改造的山東某化工有限公司的人工麝香酮分離純化系統(tǒng)就是應用了傳統(tǒng)的配置方式。在60根直徑100mm、長度2000mm的玻璃層析柱內裝填400～600目的不規(guī)則形狀的硅膠。用濕法分層裝柱，一次裝填完畢，靜置一段時間等待硅膠自然沉降后進行二次裝填，補充填料再靜置，再裝填，直至得到滿意的柱床高度。每根層析柱的一次進樣量為300g，洗脫液儲罐距離硅膠上表面1.8m，從洗脫液儲罐底部引出輸液管路。洗脫開始時，調整管路出口的閥門至適當的流量，一般工作流量為30～40mL/min。梯度洗脫，首先用石油醚做流動相，分離出合成中殘留的過渡物質α，待目標產品β出現之后，在石油醚中加入乙醚，調整流動相為V（石油醚）:V（乙醚）=20:1，繼續(xù)分離至目標產品β中含有異構體γ時更換收集瓶，對柱后液回收利用?？苫厥绽玫奈镔|收集結束即關閉閥門，切斷流動相。拆柱并更換新的硅膠，準備進入下一個生產過程。

一個分離純化的生產過程需要8天，其中包括拆柱和生產準備時間1天。

當時存在的主要問題有：如果不更換新的硅膠，那么，清除柱床中的殘留物質的成本（主要是時間成本）遠遠大于硅膠成本。在每一次拆柱時，因為自然沉降的硅膠柱床的密度不均勻，廢硅膠流出柱管的速度不好控制，有時候會與柱管壁產生較大的摩擦，同時由于玻璃上的靜電很難消除，因此拆柱時存在火災隱患。

1 技改前的試驗

在技術改造前，應用動態(tài)軸向壓縮柱（DAC）配備高壓恒流輸液泵進行了一些相關的試驗。

設備條件：動態(tài)軸向壓縮柱直徑100mm、長度1100mm、材質為316L，壓力調整范圍0～10MPa。2臺相同的高壓恒流輸液泵的流量范圍為0～300mL/min，最高工作壓力10MPa。

首先，選用800～1200目不規(guī)則形狀硅膠2kg，濕法裝柱，柱壓3MPa，流動相流速設定為200mL/min，進樣量50g。實驗結果：樣品的分離純度和收率明顯高于玻璃層析柱。每一個試驗流程需380min，其中包括柱床沖洗再生時間。一次裝柱柱床使用7個流程之后，分離純度和收率下降。重現性明顯優(yōu)于玻璃層析柱。

圖1 分離純化系統(tǒng)方案

其次，選用20μm球形等徑硅膠填料2kg，濕法裝柱，柱壓5MPa，流動相流速設定為200mL/min，進樣量50g。實驗結果：分離純度和收率高于上一個實驗（不規(guī)則形狀硅膠柱）。每一個試驗流程用時330min，其中包括柱床沖洗再生時間。一次裝柱柱床使用11個流程之后，分離純度和收率下降。重現性與上一個實驗（不考慮到未來的工藝改進，要求柱管的最大裝填高度為800mm。

按照廠房條件和生產工藝需要，設計安裝3套基于內儲能式中壓制備柱的分離純化系統(tǒng)。

分離純化系統(tǒng)方案如圖1所示。規(guī)則形狀硅膠柱）基本相似。

再次，進一步實驗，增加柱床高度至600mm。實驗結果：每一個試驗流程時間增加到430min。純度提高，收率提高。在做加大洗脫液流速和流動相極性的試驗時，其實驗結果為出峰時間縮短。

最后，在洗脫液流速設定為200mL/min的條件下，逐漸增加進樣量，進行了柱床高度與最大載樣量的試驗，分析數據，確定兩者的函數關系。

2 技術改造方案

因為球形等徑硅膠的市場價格是不規(guī)則形狀硅膠的15倍以上，經過綜合評價以后，決定首先選用800～1200目不規(guī)則形狀硅膠。同時確定選用直徑100mm的柱管，柱床高度為500～600mm，一次進樣量50～60g。

每套分離純化系統(tǒng)包括：10臺內儲能式中壓制備柱（其中1臺為備用）配1套裝柱、拆柱裝置；1臺樣品泵；18臺輸液泵；1個正壓防爆柜；1臺個人計算機（內裝終端控制軟件）。

每套分離純化系統(tǒng)中1臺樣品泵分別為9臺內儲能式中壓制備柱進樣。18臺輸液泵每2臺為1組，分別配置在9臺制備柱的柱前。其中1臺固定輸送石油醚，另1臺作為乙醚泵和清洗泵。

樣品泵和輸液泵設計參數為：流量500mL/min；柱塞式結構；高壓恒流；泵頭及與液體接觸部位材質為316L；流量精度2%；泵單元體與電動控制部分分離；電動控制部分裝入正壓防爆柜。

內儲能式中壓制備柱的設計參數為：柱管的直徑100mm；柱管長度1200mm；最大柱床高度800mm；壓力調整范圍3～5MPa；柱管與活塞、柱底法蘭的材質為316L。

儲能彈簧活動余量120mm，以抵消填料的溶脹和樣品中少量雜質堵塞引起的不正常壓力變化。

裝柱、拆柱裝置的設計原理與動態(tài)軸向壓縮系統(tǒng)相同，將固定柱管變?yōu)榭梢苿?、可更換的結構形式。以壓縮空氣為動力源，連接氣驅液壓泵，帶動液壓油缸使活塞運動，并為活塞提供壓力。

另外，因為100mm直徑的內儲能式中壓制備柱自重較小，加上硅膠和其中的勻漿液，重量為32～36kg，所以將其設計為腳輪移動形式，柱體與管路系統(tǒng)之間采用快接連接方式，作業(yè)空間大，又可以實現裝柱、拆柱操作與使用場所分離，消除火災隱患。

將泵和轉換閥的所有電氣控制元件放置在正壓防爆柜內。設置終端控制室從正壓防爆柜內接出網線連接終端控制室內的個人計算機，實現遠程控制。

3 綜合評價

在使用玻璃層析柱的環(huán)境下，不能對柱床施加壓力，也不能敲擊柱管，只能依靠柱內硅膠的自然沉降達到柱床的密實度。在這樣的情況下，不能保證柱床內部密度均勻，樣品的分離效果自然也難以保證。采用中壓制備柱以后，使用316L不銹鋼材質的柱管，移動活塞產生足夠的壓力可以保證柱床內部各部位的密度基本相等，同時配有流體強制分配器，實現洗脫液的有序流動，提高了分離效果。

使用內儲能式中壓制備柱以及配套應用的裝柱、拆柱系統(tǒng)，快接式管路結構，操作簡單便捷，因為有足夠的柱內壓力的存在，可以選用更小粒徑的硅膠，以增大柱內硅膠比表面積、提高柱效理論塔板數并提高產品純度和收率。同時也縮短了柱床，減少了空間的占用。

玻璃層析柱因為材質的問題，與硅膠等物質摩擦產生的靜電難以消除，而石油醚的閃點很低，遇到火花會燃燒甚至爆炸，但是不銹鋼材質的制備柱管只要通過接地的方式便可以及時消除靜電，減少安全隱患。

系統(tǒng)中配置的輸液泵驅動流動相實現樣品的洗脫，輸液泵為恒流恒壓泵，在柱管內柱床的硅膠規(guī)格和品質不變，在柱高和柱內壓力不變的情況下，可以保證整個生產工藝過程的重現性，即樣品內各組分出現的時間、濃度等參數基本一致，便于進行過程控制和標準化生產。同樣，因為輸液泵的存在，洗脫液儲罐不需要特別考慮位置升高的問題，可以正常放置在地面上，或者是其他合適的位置，從而降低相應的費用。同時，由于輸液泵的存在，能夠實現大流量清洗柱床，使得柱床再生時間縮短，再生的成本降低，減少了大量的廢棄硅膠，自然也就減少了對硅膠和其中殘留的試劑等化學成分對環(huán)境的污染。

4 結語

在該公司沒有進行技術改造以前的分離純化生產設備中，60根玻璃層析柱系統(tǒng)平均一個生產流程為8天（24h工作）時間。在一個生產流程中，硅膠總用量600kg，洗脫液總用量21000L，總進樣量18kg，單位洗脫液用量1166L/kg。

技術改造以后，同樣是在8天的時間里（16h工作），硅膠總用量81kg，洗脫液總用量25920L，總進樣量24kg，單位洗脫液用量1080L/kg，新增加柱床再生清洗液432L。

相比之下，每一個生產流程中廢棄硅膠減少519kg，產品的產量和純度都有了保證。更重要的是，不再出現硅膠和柱管摩擦導致石油醚燃燒的現象。