酮洛芬對(duì)映體在Chiralpak AD上具有連續(xù)溫度相關(guān)參數(shù)的競(jìng)爭(zhēng)吸附平衡模型

田一鳴，王健，陳文煒，羅云

酮洛芬對(duì)映體在Chiralpak AD上具有連續(xù)溫度相關(guān)參數(shù)的競(jìng)爭(zhēng)吸附平衡模型

田一鳴，王健，陳文煒，羅云

（溫州大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

結(jié)晶原理和色譜原理是拆分手性藥物用到的兩大主要原理，而高效液相色譜法和模擬移動(dòng)床（SMB）色譜分離技術(shù)是利用色譜原理拆分手性藥物的兩大重要手段。本研究用高效液相色譜法測(cè)定了酮洛芬對(duì)映體在Chiralpak AD柱中，以正己烷和乙醇（體積比80∶20）為流動(dòng)相，多溫度下的流出曲線。并以此為基礎(chǔ)用擬合度最好的八參數(shù)bi-Langmuir模型，運(yùn)用逆向法來(lái)考察該藥物對(duì)映體在不同溫度下，溫度對(duì)競(jìng)爭(zhēng)吸附等溫線參數(shù)的影響，并對(duì)3溫度下的酮洛芬過(guò)載曲線同時(shí)擬合，確定出bi-Langmuir中受溫度影響的模型參數(shù)。

bi-Langmuir模型；酮洛芬對(duì)映體；模型參數(shù)

模擬移動(dòng)床（Simulated Moving Bed，SMB)是一種具有連續(xù)操作性的色譜技術(shù)，有效降低溶劑消耗、提高產(chǎn)品純度[1-3]、有效實(shí)現(xiàn)色譜分離的自動(dòng)化[3]等都是該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，SMB的工藝在化工生產(chǎn)時(shí)也需要解決一系列復(fù)雜性問(wèn)題。計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化是解決這一系列問(wèn)題的途徑之一，其中色譜模型和吸附平衡模型是SMB技術(shù)在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)上不斷優(yōu)化的重要基礎(chǔ)，用逆向法（inverse method，IM）來(lái)獲得吸附平衡模型，并以此建立SMB模型是近些年發(fā)展起來(lái)的。由于該法在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)對(duì)消旋體的分析研究就得出所需結(jié)論，大大地節(jié)約了在藥品上的成本消耗，結(jié)合其他優(yōu)點(diǎn)，使近年來(lái)逆向法的相關(guān)理論成果不斷跟進(jìn)完善，運(yùn)用也越發(fā)廣泛。

酮洛芬（Ketoprofen），又名α-甲基-3-苯甲酰基苯乙酸，存在S-Ketoprofen和R-Ketoprofen兩種異構(gòu)體，和大多數(shù)手性藥物一樣，酮洛芬的兩種異構(gòu)體存在不同的藥性，S-Ketoprofen主消炎鎮(zhèn)痛，R-Ketoprofen則只具有有限的防治效果[11]。從而，有了后續(xù)拆分酮洛芬的工作的意義。早些年，朱磊等人[7]在研究中已發(fā)現(xiàn)，對(duì)用Chiralpak AD拆分酮洛芬的流出曲線擬合時(shí)，八參數(shù)的bi-Langmuir模型相較于Langmuir、linear+Langmuir等模型的擬合度更好。因此本研究在此研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用bi-Langmuir模型，并同時(shí)考慮溫度的影響，進(jìn)行八參數(shù)的bi-Langmuir模型多溫度下的同時(shí)擬合工作，并得出受溫度影響的8個(gè)模型參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

酮洛芬消旋體（S,R）-KET，>98%，TCI；正己烷、無(wú)水乙醇和三氟乙酸，HPLC級(jí)，J&K； 1,3,5-三叔丁基苯，TTBB，>98%，Sigma-Aldrich；高效液相色譜儀，Agilent 1260，Agilent公司；手動(dòng)進(jìn)樣器，7725型，Rheodyne公司；Chiralpak AD手性制備柱，1 cm×10 cm×20 μm，大賽璐手性技術(shù)公司；Sartorius BSA224SCW電子天平；Julabo F34-ED超級(jí)恒溫水??；德國(guó)Brand電子移液槍；SB-4200D超聲波清洗機(jī)。

1.2 色譜條件

Chiralpak AD手性制備柱，正己烷∶乙醇∶TFA=80∶20∶0.01（體積比）為流動(dòng)相，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)色譜柱和流動(dòng)相都用Julabo循環(huán)水浴進(jìn)行嚴(yán)格控溫，控制在實(shí)驗(yàn)條件所需溫度正負(fù)0.5 ℃以內(nèi)波動(dòng)。

1.3 非線性條件下紫外檢測(cè)器響應(yīng)信號(hào)-濃度校正實(shí)驗(yàn)

1.4 酮洛芬對(duì)映體過(guò)載流出曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)溫度同樣在15、25、35 ℃3個(gè)溫度下進(jìn)行，將兩通換成Chiralpak AD手性制備柱，用流動(dòng)相沖平系統(tǒng)與色譜柱后，在15 ℃下水浴保溫2 h。用Sartorius稱重法配制20 g·L-1的（S,R）-KET溶液50 mL水浴保溫待用。為305 nm，為1 mL·min-1，采取泵進(jìn)樣的方式，設(shè)定好A泵進(jìn)料-B泵洗脫的梯度方法，將B泵用于沖洗柱子的流動(dòng)相換成20 g·L-1的（S,R）-KET溶液，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集。本研究在每個(gè)溫度下設(shè)定兩個(gè)不同的進(jìn)樣量，且每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩次平行實(shí)驗(yàn)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。在同一溫度下的4組數(shù)據(jù)采集完畢，得出4組流出曲線圖后，改變水浴溫度，進(jìn)行下一個(gè)溫度的流出曲線測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 柱參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)中所有柱參數(shù)的測(cè)定都通過(guò)線性范圍內(nèi)脈沖實(shí)驗(yàn)測(cè)的。關(guān)于脈沖實(shí)驗(yàn)方法，可參照來(lái)夢(mèng)龍等人[9]提出的方法。

線性脈沖實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果列于表1。由表1中最后兩列比較可得，在流動(dòng)相是正己烷比例為80%時(shí)，色譜柱的柱效遠(yuǎn)大于正己烷比例為90%時(shí)的柱效，為后續(xù)流動(dòng)相對(duì)酮洛芬對(duì)映體的連續(xù)競(jìng)爭(zhēng)吸附平衡模型的影響研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此本研究是十分有必要的。

表1 線性脈沖實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

NL1/1 000為本次實(shí)驗(yàn)所得理論柱效，NL2/1 000為蔣曉霄[15]所得理論柱效。

本研究在用八參數(shù)bi-Langmuir模型擬合酮洛芬對(duì)映體的過(guò)載曲線時(shí)，考慮了溫度的影響，因此需要得到S-KET和R-KET在AD柱上的吸附焓值。該值可以通過(guò)Van’Hoff方程，公式（1）得到。

式中：—亨利參數(shù)；

Δ—吸附焓；

在和諧寺觀教堂的創(chuàng)建中，祝國(guó)寺既是先進(jìn)模范，也是經(jīng)驗(yàn)豐富、富有責(zé)任感的帶頭者。祝國(guó)寺不僅內(nèi)部和諧，也把和諧傳播到東川的其他佛寺，切實(shí)維護(hù)了東川佛教界的和諧局面。

—理想氣體常數(shù)，值為8.314；

—測(cè)量溫度。

R-KET作為弱吸附組分，其亨利常數(shù)與溫度的關(guān)系式為：

因此，可得S-KET和R-KET在AD柱上的吸附焓值ΔSA、ΔSB分別為-24.24 kJ/mol、-15.19 kJ·mol-1。

2.2 紫外響應(yīng)信號(hào)與濃度校正結(jié)果

由圖2三個(gè)紫外響應(yīng)信號(hào)的濃度校準(zhǔn)圖可得，溫度由低到高得到的二階校正方程分別為：

可得，高濃度的酮洛芬對(duì)映體的響應(yīng)信號(hào)與濃度為非線性關(guān)系，且不同溫度下的校正方程不同。因此，分別測(cè)定不同溫度下的校準(zhǔn)曲線是必須的工作。

2.3 過(guò)載流出曲線測(cè)定結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所得的流出曲線是t-mAU的關(guān)系圖，而本研究中擬合八參數(shù)的bi-Langmuir模型時(shí)用到的是-關(guān)系，即濃度與時(shí)間關(guān)系圖，因此需要用到校正曲線方程式（4）、（5）、（6）進(jìn)行mAU-c的關(guān)系轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后所得各溫度下的過(guò)載流出曲線圖如圖3所示。

圖2 UV響應(yīng)信號(hào)在302 nm波長(zhǎng)下的校正曲線

圖3 288~308 K下酮洛芬對(duì)映體過(guò)載流出曲線測(cè)定結(jié)果

在過(guò)載曲線測(cè)定的過(guò)程中，采用泵進(jìn)樣和梯度洗脫的方式，這樣的方式?jīng)Q定了進(jìn)樣時(shí)間極短，很難準(zhǔn)確得到實(shí)際進(jìn)料量，因此用積分法，對(duì)每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得流出曲線圖進(jìn)行物料衡算，衡算公式（7）：

式中：—進(jìn)料量，mg；

—流量，mL·min-1（此處為2.0 mL·min-1）；

（）—數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度，mg·mL-1；

d—數(shù)據(jù)采集間隔，min。

所得結(jié)果對(duì)應(yīng)標(biāo)志在過(guò)載流出曲線圖圖3中。2.4 Bi-Langmuir模型參數(shù)擬合結(jié)果

根據(jù)bi-Langmuir吸附等溫線模型的五參數(shù)基礎(chǔ)模型，公式（8）：

以及Langmuir模型假設(shè)[16]，5個(gè)參數(shù)ns、ns、s、s,A、s,B中的s、ns為常數(shù)，在考慮溫度的影響時(shí)，參數(shù)受溫度影響的關(guān)系式可表示為公式（9）、（10）：

因此，考慮溫度影響后的8個(gè)參數(shù)分別是：ns、s、ns(298 K)、s,A(298 K)、s,B(298 K)、ΔSA、ΔSB以及Δns。前5個(gè)參數(shù)可通過(guò)各溫度下的曲線擬合估算初值，Δns的初值則由ΔSA、ΔSB的算術(shù)平均值代替。

取圖3中每個(gè)溫度下的一條過(guò)載曲線，采用LMA算法[13,14]對(duì)酮洛芬對(duì)映體在15、25、35 ℃3個(gè)溫度下在AD柱上的過(guò)載流出曲線同時(shí)擬合，得到擬合結(jié)果良好的圖4。Bi-Langmuir模型中受溫度影響的8個(gè)參數(shù)列于表2，參考溫度為25 ℃。

圖4 同時(shí)擬合3個(gè)溫度下的過(guò)載曲線

表2 線性脈沖實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

298 K為參考溫度。

3 結(jié) 論

本研究在朱磊等[7]得出的對(duì)用Chiralpak AD拆分酮洛芬的流出曲線擬合時(shí)，五參數(shù)的Bi-Langmuir模型相較于Langmuir、linear+Langmuir等模型的擬合度最好的結(jié)論基礎(chǔ)上，加上考慮溫度對(duì)模型參數(shù)的影響，進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。通過(guò)在線性范圍內(nèi)柱參數(shù)的測(cè)定，為逆向法的運(yùn)用做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作。用TD模型描述酮洛芬的S和R組分在AD柱中的物料平衡。運(yùn)用Levenberg-Marquardt（LMA）算法對(duì)酮洛芬對(duì)映體在15、25、35 ℃3個(gè)溫度下在AD柱上的過(guò)載流出曲線同時(shí)擬合，并運(yùn)用Van’Hoff方程和參數(shù)b受溫度影響的兩個(gè)關(guān)系式引入 3個(gè)參數(shù)，獲得對(duì)溫度變化能連續(xù)起來(lái)的八參數(shù)bi-Langmuir模型。本研究對(duì)后續(xù)探究流動(dòng)相對(duì)模型參數(shù)的影響，以及在考慮溫度的基礎(chǔ)上加上溶解度對(duì)模型參數(shù)的影響的探究提供了有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有重要意義。

[1] NEUZIL R W, priegnitz J W. USP, 4024331, 1997.

[2] 李洪飛，李良玉，張麗萍，等. 模擬移動(dòng)床色譜技術(shù)應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工(學(xué)刊)，2011（5）：62-65.

[3] 趙毓璋，景振華. 吸附分離對(duì)二甲苯技術(shù)進(jìn)展[J]. 煉油技術(shù)與工程，2003（5）：1-4.

[4] NEUVILLE B C, THOMAS H, MORBIDELLI M. Simulation of porosity decrease with protein adsorption using the distributed pore model[J]., 2013 (1314): 77-85

[5] 孫玉高，來(lái)夢(mèng)龍，周慧君，等. 模擬移動(dòng)床色譜拆分酮洛芬對(duì)映體的模擬研究[J].廣州化工，2013，41（9）：55-57.

[6] ?SBERG D, LE?KO M, ENMARK M, et al. Fast estimation of adsorption isotherm parameters in gradient elution preparative liquid chromatographyⅡ:the competitive case[J]., 2013 (1314): 70-76

[7] 朱磊，徐進(jìn)，孫玉高，等. 逆向法測(cè)定酮洛芬對(duì)映體在Chiralpak AD柱上的吸附等溫線[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63（8）：2469-2476.

[8] 朱磊，劉玉明，孫玉高，等. 手性固定相色譜柱空隙率的測(cè)定研究[J]. 遼寧化工，2012，41（1）：100-103.

[9] 來(lái)夢(mèng)龍. 酮洛芬對(duì)映體在Chiralpak AD柱上吸附等溫線的測(cè)定[D].溫州：溫州大學(xué)，2014.

[10] RIBEIRO A E, GRACA N S, PAIS L S, et al. Optimization of the mobile phase composition for preparative chiral separation of flurbiprofen enantiomers[J]., 2009(68): 9-23.

[11] 許麗娟，趙玉紅，劉瑞恩，等. (S)-酮基布洛芬拆分用脂肪酶基因的克隆及表達(dá)[J]. 生物工程學(xué)報(bào)，2010，26（1）：108-113.

[12] XU J, ZHU L, XU G Q et al. Determination of competitive adsorption isotherm of enantiomers on preparative chromatographic columns using inverse method[J]., 2013 (1273): 49-56.

[13] 何郁波，林曉艷. 非線性不等式系統(tǒng)帶折線步的信賴域方法及其收斂性[J]. 應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2013，34（11）：1216-1224.

[14]楊柳，陳艷萍.求解非線性方程組的一種新的全局收斂的Levenberg-Marquardt算法[J]. 計(jì)算數(shù)學(xué)，2008（4）：388-389.

[15] 蔣曉霄. 溫度梯度模擬移動(dòng)床拆分酮洛芬對(duì)映體的過(guò)程研究[D].溫州：溫州大學(xué)，2017.

[16] GAVAZZINI A, FELINGER A, GUIOCHON G. Comparison between adsorption isotherm determination techniques and overloaded band profiles on four batches of monolithic columns[J]., 2003, 1012 (2)：139-149.

負(fù)責(zé)人：田志堅(jiān) 聯(lián)絡(luò)人：田志堅(jiān)

電話：84379151 傳真：84379151 Email：tianz@dicp.ac.cn

學(xué)科領(lǐng)域：能源化工 項(xiàng)目階段：工業(yè)生產(chǎn)

項(xiàng)目簡(jiǎn)介及應(yīng)用領(lǐng)域

潤(rùn)滑油產(chǎn)業(yè)是與國(guó)計(jì)民生密切相關(guān)技術(shù)密集型支柱產(chǎn)業(yè)之一，我國(guó)為世界第二大潤(rùn)滑油消費(fèi)國(guó)，雖然我國(guó)也是潤(rùn)滑油生產(chǎn)大國(guó)，但由于大部分生產(chǎn)企業(yè)仍沿用傳統(tǒng)工藝，技術(shù)落后，只能滿足中低檔油的市場(chǎng)需求，高檔潤(rùn)滑油發(fā)展受到制約。

潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油加氫異構(gòu)脫蠟是高檔潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油生產(chǎn)的最新技術(shù)。自1999年起，大連化物所瞄準(zhǔn)國(guó)際煉油技術(shù)前沿，開(kāi)展?jié)櫥突A(chǔ)油加氫異構(gòu)脫蠟技術(shù)及催化劑的開(kāi)發(fā)研制。項(xiàng)目先后投入科研經(jīng)三千多萬(wàn)元，歷經(jīng)小試開(kāi)發(fā)、中試放大和工業(yè)試驗(yàn)，通過(guò)一系列創(chuàng)新集成及技術(shù)突破，解決了若干工程和技術(shù)難題，研制成功三種新型分子篩，并實(shí)現(xiàn) 5 m3反應(yīng)釜規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，分別針對(duì)石蠟基和環(huán)烷基原料油開(kāi)發(fā)出不同系列、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的異構(gòu)脫蠟專用催化劑及配套工藝技術(shù)，滿足多種原料生產(chǎn)各種黏度級(jí)別高檔潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的需求。2008和2012年，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的兩代催化劑分別在中國(guó)石油大慶煉化20萬(wàn)t/a高壓加氫裝置上實(shí)現(xiàn)兩次工業(yè)應(yīng)用。催化劑具有活性高、原料適用范圍廣、產(chǎn)品質(zhì)量好、基礎(chǔ)油收率高、副產(chǎn)品附加值高，特別是重質(zhì)基礎(chǔ)油收率高等優(yōu)點(diǎn)，其催化性能大幅超過(guò)國(guó)際同類催化劑。工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示國(guó)際同類先進(jìn)技術(shù)相比，處理200SN 原料油時(shí)，Ⅱ類中質(zhì)基礎(chǔ)油收率高8個(gè)百分點(diǎn)；處理650SN原料，Ⅲ類重質(zhì)基礎(chǔ)油收率高20個(gè)百分點(diǎn)，應(yīng)用效能顯著。除了產(chǎn)出預(yù)期的中、重制高檔 潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油產(chǎn)品外，還開(kāi)發(fā)出了高標(biāo)號(hào)食品級(jí)白油等一系列新產(chǎn)品，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。項(xiàng)目獲得授權(quán)專利12 項(xiàng)，其中核心專利“一種臨氫異構(gòu)化催化劑及其制備方法”(ZL200510079739.7)榮獲 2011年第十三屆中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。成果入選2009年中國(guó)石油集團(tuán)十大科技進(jìn)展，2012年中國(guó)產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新成果獎(jiǎng)。截止2013年底，該技術(shù)的成功應(yīng)用已累計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值超50億元，利潤(rùn)逾19億元，稅收逾6億元，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，該技術(shù)正在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步推廣。

投資與收益：該技術(shù)市場(chǎng)容量大，回報(bào)率高。合作方式：技術(shù)許可。投資規(guī)模：1 億。

Competitive Adsorption Equilibrium Model With Continuous Temperature Dependent Parameters for Ketoprofen Enantiomers on Chiralpak AD Column

,,,

（College of Chemistry and Materials Engineering, Wenzhou University, Wenzhou Zhejiang 325035,China）

Competitive adsorption equilibrium of ketoprofen enantiomers on Chiralpak-AD column with n-hexane and ethanol (80∶20) as the mobile phase was acquired using inverse method. Conventional transport-disperse (TD) model was used to describe materials balances in the chromatography column. TD model parameters were estimated based on linear pulse responses measured at different flowrates. Overloaded band profiles were then measured at three different temperatures. Parameters of temperature dependent bi-Langmuir model were obtained by fitting the experimentally measured band profiles. Three additional parameters for adsorption heat were used to give binary equilibrium correlation with continues temperature dependence. The determined parameters were further verified by comparing model predictions with band profiles that were independently measured and not used in the data fitting process.

bi-Langmuir model; Ketoprofen enantomers; model parameter

TQ018；TQ028.8

A

1004-0935（2020）07-0768-05

2020-3-16

田一鳴（1993-），女，碩士，浙江嘉興人，2020年畢業(yè)于溫州大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事工業(yè)分析技術(shù)與應(yīng)用工作。