美国食品药物管理局(FDA)在1992年3月发布了手性药物指导原则，提出 了发展毒副作用更小的单一对映体药物的战略。因此，将外消旋体手性药物发 展为高附加值的单一对映体药物，已成为全球制药行业不可回避且亟待解决的 重大课题。
近年来，随着制备色谱技术的发展和适合制备用的手性固定相的商品化， 制备型液相色谱为单一对映体药物的获得开辟了新途径。药物学家在实验室通 常采用制备型液相色谱小规模分离制备手性药物对映体，以满足用纯对映体进 行生物活性测试、毒性研究和临床试验的需要。但是制备型液相色谱存在固定 相利用率低、流动相消耗量大、间歇操作、分离成本高、污染严重等缺点，阻 碍了其在工业生产中的进一步应用。
制备型超临界流体色谱由于可以有效地弥补制备型液相色谱流动相消耗量 大、污染严重等问题，已在手性药物的分析和制备等方面涌现出了许多令人注 目的成果。超临界流体色谱是采用接近或超过临界温度(TC)和临界压力(PC)的高 压流体作为流动相的色谱分离技术，最初是作为一种新型的色谱分析手段提出 来的，但现在人们开始越来越重视它在制备分离方面的应用。二氧化碳由于具 有无色、无味、无毒、不易燃易爆、化学性质稳定、临界条件适中(TC＝31.06℃， PC＝7.376MPa)、环境友好、便宜易得等优点，是超临界流体色谱最常用的流动 相。针对二氧化碳为非极性流体、不利于分离极性化合物的不足，通过添加少 量具有较强极性且与二氧化碳互溶性好、在操作条件下稳定的乙醇等改性剂， 就可以显著改善流动相对极性样品的溶解能力，扩大二氧化碳对样品的适用范 围；同时，由于改性剂还可以降低手性固定相中具有最强吸附能力的活性中心 点的活性，所以即使少量的改性剂也能明显提高流动相的洗脱能力。超临界流 体色谱出口的流动相中既含有超临界二氧化碳流体又含有被分离的物质，只要 降低压力或升高温度，就会使两者得以完全分离，不涉及大量有机溶剂的蒸发 与回收等操作流程，从而显著减少对环境的污染和对操作人员的毒害。但是， 由于制备型超临界流体色谱一般采用间歇操作方式，固定相利用率偏低、分离 成本偏高的弱点依然存在，阻碍了其在工业生产中的应用。
为了解决制备型液相色谱固定相利用率低、间歇操作、分离成本高等缺点， 人们将在石化与食品领域已成功应用的大型液相模拟移动床装置的设计思想， 与制备型液相色谱分离技术相结合，发明了具备固定相利用率高、连续操作、 分离成本低等优势的液相模拟移动床色谱，并在手性药物的大规模拆分方面获 得了成功的应用，如美国UOP、日本Daicel Chemical、比利时UCB Pharma等 公司相继建成了吨级规模的液相模拟移动床色谱工业装置生产单一对映体手性 药物，但是出于维持竞争力的需要，各大制药公司对相关技术和数据都予以严 格保密。日本Daicel Chemical公司Nagamatsu等人采用液相模拟移动床色谱分 离手性新药中间体DOLE的研究(Journal of Chromatography A，832(1-2)：55-65 (1999))，是迄今为止公开发表的文献中最为详实的中试报告。中试实验表明， 液相模拟移动床色谱基于单位质量手性固定相的生产能力是制备型液相色谱的 20倍，而获得单位质量产品的流动相消耗量则只有后者的1/20。尽管液相模拟 移动床色谱表现出了如此优异的性能，但是生产每公斤产品依然需要消耗439 升有机溶剂流动相，这意味着生产一吨单一对映体药物所消耗的溶剂成本会高 达近百万元人民币，同时还会带来不容忽视的环境问题。
此外，现有的液相模拟移动床色谱在进行工业规模放大时，由于涉及大量 有机溶剂高压流体的输送，而这些有机溶剂往往具有易燃易爆的特性，因此， 对泵、阀、仪表、电气等关键设备的选型以及工艺车间整体的设计，都会提出 非常苛刻的安全性要求，增加了设备投资和操作成本。
综上所述，尽管现有的超临界流体色谱、液相模拟移动床色谱在手性药物 的分离领域已取得了令人瞩目的成果，但是如何发展一类比现有技术更高效、 更低耗、更清洁、更安全的工业制备色谱新技术，进一步降低手性药物的生产 成本，一直是制备色谱研究人员不懈追求的目标和国际制药工业关注的焦点之 一。

本发明的目的在于提供一种三分区的超临界流体模拟移动床色谱装置，是 将超临界流体色谱装置与液相模拟移动床色谱装置集成为超临界流体模拟移动 床色谱装置，特别是以超临界二氧化碳流体为流动相、以手性固定相为填充柱 填料的超临界流体模拟移动床色谱装置，实现高效、低耗、清洁、安全地大规 模拆分手性药物外消旋体。
本发明采用的技术方案是：
它包括3至36根填充柱，由前一根填充柱的出口端与后一根填充柱的进口 端依次连接，最后一根填充柱的出口端与第一根填充柱的进口端连接而成；每 根填充柱的进口端分别通过各自的开关式阀门与流动相入口管路、进样口管路 连接；每根填充柱的出口端分别通过各自的开关式阀门与输出富集有强保留组 分的流体的萃取口管路、输出富集有弱保留组分的流体的残余口管路连接；在 连接前一根填充柱的出口端与后一根填充柱的进口端的管路上，接有开关式阀 门或止回阀；在连接最后一根填充柱的出口端与第一根填充柱的进口端的管路 上，接有开关式阀门或止回阀；在连接前一根填充柱的出口端与后一根填充柱 的进口端的管路上，接有背压调节器或背压调节阀或背压阀；在连接最后一根 填充柱的出口端与第一根填充柱的进口端的管路上，接有背压调节器或背压调 节阀或背压阀；萃取口管路的出口端、残余口管路的出口端分别接有旋风分离 器；改性剂管路经一台恒流泵后接入流动相入口管路；进样液管路经另一台恒 流泵后接入进样口管路。
在上述所有填充柱的内部强制流体按照填充柱依次连接的顺序向同一个方 向流动，沿着流体流动方向，通过控制阀门的开关状态依次设置流动相入口位 置、萃取口位置、进样口位置、残余口位置，从而把所有的填充柱分成了三个 分区，各个分区至少包含一根填充柱，在经过了一个给定的时间周期后，通过 改变阀门的开关状态，使流动相入口位置、萃取口位置、进样口位置、残余口 位置分别沿着流体流动的方向向下一根填充柱推移，同样三个分区也随之向下 一根填充柱推移，从而形成流动相与填充柱填料向相反方向移动的效果，实现 分离过程的连续操作。
上述三个分区分别完成不同的功能。位于流动相入口位置与萃取口位置之 间的填充柱属于分区I，主要作用是实现强保留组分的完全洗脱；位于萃取口位 置与进样口位置之间的填充柱属于分区II，主要作用是将强保留组分吸附，置换 出弱保留组分并送入分区III；位于进样口位置与残余口位置之间的填充柱属于 分区III，主要作用是洗脱弱保留组分。
上述流动相采用温度、压力超过临界温度、临界压力的超临界流体，或者 采用温度、压力略低于临界温度、临界压力的亚临界流体。
本发明具有的有益的效果是：
①超临界流体模拟移动床色谱装置的连续操作方式，可以解决超临界流体 色谱由于间歇操作的缺点带来的低效率问题；
②超临界流体模拟移动床色谱装置采用超临界流体代替有机溶剂作为流 动相，可以解决液相模拟移动床色谱由于采用有机溶剂作为流动相带来的有机 溶剂高消耗、高污染问题；
③超临界流体模拟移动床色谱装置可以方便地实施梯度操作模式，尤其是 压力梯度操作模式与改性剂梯度操作模式，显著提高装置的分离效率；
④产品与流动相容易分离，萃取口与残余口流出的流动相可以通过升温、 降压的作用，将作为流动相的超临界流体瞬间气化，并通过旋风分离器的旋风 分离作用，方便地获得产品；
⑤对于以超临界二氧化碳流体作为流动相的超临界流体模拟移动床色谱 装置而言，还特别具有如下的优点：由于二氧化碳无色、无味、无毒，所以非 常适用于处理医药产品；由于二氧化碳不易燃易爆、化学性质稳定，所以生产 过程非常安全；由于二氧化碳环境友好、便宜易得，所以分离成本低；由于二 氧化碳临界条件适中，所以工业规模的装置易于实现。
⑥传统的模拟移动床色谱一般存在四个分区，即在残余口位置后面还配置 有一根以上的填充柱作为分区IV，主要作用是将弱保留组分完全吸附，使流动 相出口流体中不含有要分离的组分，便于流动相回到分区I循环利用；本发明提 供的三分区的超临界流体模拟移动床色谱装置，通过残余口管路升温、降压、 旋风分离等步骤，在获得弱保留组分产品的同时，实现纯化流动相供循环利用 的目的，从而省略主要起纯化流动相作用的分区IV，其优点在于：工艺流程简 明，设备复杂程度降低，装置可靠性提高，投资节省，工业规模的装置易于实 现。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中流动相的状态转换与循环利用原理示意图；
图3是分区I、II、III分别包含1根、2根、3根填充柱的三分区的超临界 流体模拟移动床色谱装置，在两个相邻的阀门切换周期内，流动相入口位置、 萃取口位置、进样口位置、残余口位置的移动情况示意图；
图4是分区I、II、III分别包含1根、2根、3根填充柱的三分区的超临界 流体模拟移动床色谱装置实施压力梯度操作模式与改性剂梯度操作模式的原理 示意图。
图中：1、流动相液体储罐，2、流动相液体储罐的出口管路，3、恒压泵， 4、缓冲罐，5、加热恒温槽，6、流动相入口管路，7、进样口管路，8、改性剂 罐，9、恒流泵，10、改性剂管路，11、进样液罐，12、恒流泵，13、进样液管 路，14、萃取口管路，15、残余口管路，16、加热恒温箱，17、加热恒温槽， 18、出口气体总管路，19、活性炭柱，20、流动相钢瓶，21、钢瓶气体管路， 22、低温恒温槽，23、计算机控制系统。

如图1所示的一种三分区的超临界流体模拟移动床色谱装置，各分区均只 配置了1根填充柱，是本发明最简明的实施形式。它包括三根填充柱Z1、Z2、 Z3，由第一根填充柱Z1的出口端依次经开关式阀门VE1、压力传感器PZ1、背 压调节器VPZ1与第二根填充柱Z2的进口端连接，由第二根填充柱Z2的出口 端依次经开关式阀门VE2、压力传感器PZ2、背压调节器VPZ2与第三根填充柱 Z3的进口端连接，由第三根填充柱Z3的出口端依次经开关式阀门VE3、压力 传感器PZ3、背压调节器VPZ3与第一根填充柱Z1的进口端连接；每根填充柱 Z1、Z2、Z3的进口端分别通过各自的开关式阀门VA1、VA2、VA3和分别通过 各自的开关式阀门VB1、VB2、VB3与进样口管路7、流动相入口管路6连接； 每根填充柱Z1、Z2、Z3的出口端分别通过各自的开关式阀门VC1、VC2、VC3 和分别通过各自的开关式阀门VD1、VD2、VD3与萃取口管路14、残余口管路 15连接；在萃取口管路14上，依次接有质量流量计F2、流量调节阀VR2、压 力传感器PE、背压调节器VPE、加热恒温槽17与旋风分离器S1；在残余口管 路15上，依次接有质量流量计F3、流量调节阀VR3、压力传感器PR、背压调 节器VPR、加热恒温槽17与旋风分离器S2；旋风分离器S1、S2的底部出口分 别通过各自的开关式阀门VS1、VS2与回收罐L1、L2连接；回收罐L1、L2的 底部出口分别通过各自的开关式阀门VL1、VL2连接常压容器；旋风分离器S1、 S2的上部出口气体总管路18，经压力传感器PS、背压调节器VPS、活性炭柱 19后，与来自流动相钢瓶20依次接有减压阀VG、压力传感器PG、开关式阀 门VH的钢瓶气体管路21汇合，经低温恒温槽22后，进入流动相液体储罐1； 流动相液体储罐1的出口管路2上，依次接有恒压泵3、缓冲罐4、加热恒温槽 5后，分成两路，一路为流动相入口管路6，与来自改性剂罐8接有恒流泵9的 改性剂管路10汇合，经混合室M1后，通过开关式阀门VB1、VB2、VB3分别 与填充柱Z1、Z2、Z3连接；另一路为进样口管路7，经减压阀VJ、压力传感 器PJ后，与来自进样液罐11接有恒流泵12的进样液管路13汇合，经混合室 M2、质量流量计F1、流量调节阀VR1后，通过开关式阀门VA1、VA2、VA3 分别与填充柱Z1、Z2、Z3连接。
在上述装置中，与三根填充柱Z1、Z2、Z3直接连接的所有开关式阀门的开 关状态有3种组合，以适当的切换周期，依照如下顺序切换并循环往复：
①开阀门VA3、VB1、VC1、VD3、VE1、VE2；关阀门VA1、VA2、VB2、 VB3、VC2、VC3、VD1、VD2、VE3；此时，处于分区I、II、III的填充柱分别 是填充柱Z1、Z2、Z3。
②开阀门VA1、VB2、VC2、VD1、VE2、VE3；关阀门VA2、VA3、VB1、 VB3、VC1、VC3、VD2、VD3、VE1；此时，处于分区I、II、III的填充柱分别 是填充柱Z2、Z3、Z1。
③开阀门VA2、VB3、VC3、VD2、VE1、VE3；关阀门VA1、VA3、VB1、 VB2、VC1、VC2、VD1、VD3、VE2；此时，处于分区I、II、III的填充柱分别 是填充柱Z3、Z1、Z2。
在上述与填充柱Z1、Z2、Z3直接连接的所有开关式阀门中，VE1、VE2、 VE3也可分别用止回阀来代替。与开关式阀门的开关状态需由外界控制的情形 不同，止回阀的开关状态由管路中流体的压力自动控制，并且与VE1、VE2、 VE3的开关状态始终是保持一致的。此外，这些开关式阀门，并不局限于两通 式阀门，它们也可以是三通阀或多通阀或旋转阀或上述阀门的组合。
本发明的超临界流体模拟移动床色谱装置采用恒温操作，因此所有填充柱 均置于加热恒温箱16中。
计算机控制系统23采集所有质量流量计F1、F2、F3，压力传感器P1、P2、 PZ1、PZ2、PZ3、PE、PR、PS、PJ、PG，温度传感器T1、T2、T3的检测信号； 并通过流量调节阀VR1、VR2、VR3，背压调节器VPZ1、VPZ2、VPZ3、VPE、 VPR、VPS与减压阀VJ、VG，加热或制冷等执行机构对流量、压力、温度等操 作参数进行自动控制；同时，还控制与填充柱直接连接的所有开关式阀门的周 期性自动切换；对系统压力或温度超过上限进行报警，并在压力或温度超过上 上限时启动紧急停车等安全联锁机制。
而在装置不同位置安装的安全阀VK1、VK2、VK3由于完全独立于计算机 控制系统23，可以进一步确保整个系统的压力安全。
根据本发明图1的结构示意图，结合图2的流动相状态转换与循环利用原 理示意图，针对以超临界二氧化碳流体为流动相、以手性固定相为填充柱填料 分离手性药物的具体应用背景，进一步将工艺流程简述如下：
流动相液体储罐1中温度压力为(T1，P1)的液态CO2，经恒压泵3加压进入 缓冲罐4，成为温度压力为(T1，P2)的液态CO2，再经加热恒温槽5升温成为温 度压力为(T2，P2)的超临界CO2流体后，分成两路：第一路为流动相入口管路6， 该管路的超临界CO2流体与恒流泵9恒流输入的少量改性剂经混合室(可以是石 英颗粒柱)M1混合后，在流动相入口位置向填充柱注入；第二路为进样口管路7， 该管路的超临界CO2流体经过减压阀VJ减压到压力PJ后，与恒流泵12恒流输 入的进样液(由手性药物外消旋体样品溶于改性剂所配置的溶液)经混合室M2混 合，由质量流量计F1与流量调节阀VR1构成的流量测控组件调节流量后，在 进样口位置向填充柱注入；萃取口管路14流出的温度压力为(T2，PE)的超临界 流体，由质量流量计F2与流量调节阀VR2构成的流量测控组件调节流量，流 经背压调节器VPE后降压，并经加热恒温槽17升温后，进入温度压力为(T3，PS) 的旋风分离器S1，由于升温与降压的共同作用，超临界CO2流体瞬间气化，而 由于改性剂与溶质的沸点往往比CO2的沸点要高得多，因此富集有强保留组分 的改性剂溶液将以微液滴(或微晶)的形式析出，然后通过旋风分离的作用实现气 液两相分离，在旋风分离器S1的底部获得强保留组分的改性剂溶液，而从旋风 分离器S1的上部出口流出的则是仅夹带微量改性剂的CO2气体；残余口管路 15流出的温度压力为(T2，PR)的超临界流体，经过类似的步骤，实现富集有弱保 留组分的改性剂溶液与CO2的分离。从旋风分离器S1、S2的上部出口出来后汇 合的温度压力为(T3，PS)的CO2气体，流经背压调节器VPS后降压成为温度压力 为(T3，P1)的CO2气体，经活性炭柱19吸附净化与低温恒温槽22降温液化后， 成为温度压力为(T1，P1)的液态CO2，进入流动相液体储罐1循环利用。上述旋 风分离器S1、S2的操作压力PS由下游的背压调节器VPS进行统一控制。旋风 分离器S1、S2的底部出口分别连接回收罐L1、L2，然后再分别连接常压容器， 通过控制开关式阀门VS1、VS2与开关式阀门VL1、VL2的交替开关状态，确 保在产品与改性剂的排出过程中旋风分离器内部压力稳定。由于装置开车、旋 风分离器出料、活性炭柱更换等特殊工况导致装置内部CO2的量不足时，用来 自流动相钢瓶20的CO2气体进行补充。
本发明并不仅限于上述各分区均只配置了1根填充柱的实施形式，实际上 各分区也可配置一根以上、数目不等的填充柱，装置的连接关系是可以扩展的。 理论上，在所有填充柱加在一起的总长度维持不变时，缩短每根填充柱的长度 同时增加填充柱的总数对分离效果将更为有利，但是填充柱数目的增加也导致 设备复杂、投资增加、可靠性降低等缺点，所以超临界流体模拟移动床色谱装 置所配置的填充柱总数一般不超过36根。与填充柱直接连接的所有开关式阀门 的开关状态组合的数目一般来说与填充柱的总数相同。举例来说，在分区I、II、 III分别配置1根、2根、3根填充柱的超临界流体模拟移动床色谱装置，与填充 柱直接连接的所有开关式阀门的开关状态就有6种组合，按适当的切换周期， 依序切换使流动相入口位置、萃取口位置、进样口位置、残余口位置分别沿着 流体流动的方向向下一根填充柱推移并循环往复。图3是上述分区I、II、III分 别包含1根、2根、3根填充柱的三分区的超临界流体模拟移动床色谱装置，在 两个相邻的阀门切换周期内，流动相入口位置、萃取口位置、进样口位置、残 余口位置的移动情况示意图；图3(a)是当前周期流动相入口、萃取口、进样口、 残余口的设定位置；图3(b)是下一周期流动相入口、萃取口、进样口、残余口的 设定位置。
此外，三分区的超临界流体模拟移动床色谱装置还可以方便地实施梯度操 作模式，显著提高分离效率。梯度操作模式的基本思想是，沿分区I到分区III 的方向上，形成流动相的洗脱能力由强到弱的梯度，或形成溶质与固定相的亲 和力由弱到强的梯度，同时通过操作参数的精密控制，使上述梯度始终维持并 随着阀门切换沿着流动相的流动方向动态地平移，使强保留组分在分区I被完全 洗脱并从萃取口流出，同时在分区III则强保留组分被完全吸附而弱保留组分被 顺利洗脱。超临界流体模拟移动床色谱装置可以方便实施的梯度操作模式包括 压力梯度操作模式与改性剂梯度操作模式。
压力梯度操作模式的原理为：在超临界流体区域，等密度线收缩在临界点 附近，因此，在此附近区域，当温度恒定时，压力的微小变化将导致超临界流 体的密度发生显著变化，且此时超临界流体的密度几乎可以与液体相比拟。溶 质的溶解度则和超临界流体的密度有密切关系。一般来说，随着压力的升高， 超临界流体的密度增加，溶质的溶解度增加，流动相的洗脱能力增强。因此， 本发明提出利用超临界流体在温度恒定时具有压力—密度—溶解度—洗脱能力 的单调对应关系，通过背压调节器对装置各分区进行独立的压力调节，控制在 分区I、分区II形成高压高密度区而在分区III形成低压低密度区，从而实现压 力梯度操作模式。
改性剂梯度操作模式的原理为：改性剂的加入，既可显著提高溶解度，又 可通过降低吸附活性中心点的活性强度的途径直接增强洗脱能力。因此，本发 明提出在分区I入口处注入改性剂浓度较高的流动相，而在分区III注入改性剂 浓度较低的进样流体，从而实现分区I、分区II具有较高改性剂浓度，分区III 具有较低改性剂浓度的改性剂梯度操作模式。
三分区的超临界流体模拟移动床色谱装置压力梯度操作模式与改性剂梯度操作 模式的具体实施过程，以图3的分区I、II、III分别包含1根、2根、3根填充 柱的三分区的超临界流体模拟移动床色谱装置作为例子，结合图4的原理示意 图，说明如下：
实施压力梯度操作模式时，各分区内部位于相邻色谱柱之间的背压调节器 全开，而各分区末端的三个背压调节器处于调节状态，使流动相入口、萃取口、 进样口、残余口的超临界流体压力依次阶梯状降低。在压力梯度操作模式中， 压力梯度的形成实际上有两个因素：一个是背压调节器对各分区压力进行调节 产生的压降；另一个是流动相从分区I流向分区III时流动阻力造成的流动阻力 压降，这意味着在所有背压调节器全开的情况下，超临界流体模拟移动床色谱 也存在压力梯度，但是这种压力梯度难以调节，效果也不是非常显著。所以， 压力梯度操作模式主要指通过背压调节器对各分区压力进行调节形成的压力梯 度。
实施改性剂梯度操作模式时，在流动相入口管路6的超临界流体中的改性 剂浓度大于在进样口管路7的超临界流体中的改性剂浓度。从图1的结构示意 图中可以发现，改性剂并没有单独向进样口管路7注入，而是作为溶解样品的 溶剂以进样液的形式注入的，因此，经恒流泵12恒流输入的进样液将配制成略 低于饱和溶液的浓度，既保证尽可能多的样品进样量，又最大限度地减少改性 剂的量。
以超临界二氧化碳流体为流动相、以手性固定相为填充柱填料、采用压力梯 度操作模式和改性剂梯度操作模式的三分区超临界流体模拟移动床色谱装置， 可以高效、低耗、清洁、安全地大规模拆分手性药物外消旋体。
本发明中涉及的填充柱，适宜采用动态轴向压缩色谱柱的结构，使色谱填充 柱的柱效保持稳定，也便于在工业放大时解决柱效随柱径增大而降低的问题。
本发明中涉及的填充柱的填料，并不仅限于手性固定相，也可以是分子筛、 树脂等各种吸附分离用固体填充剂。
本发明涉及的超临界流体，并不仅限于超临界CO2流体，也可以是超临界丙 烷流体、超临界水等。此外，本发明涉及的流动相并不仅限于温度、压力超过 临界温度、临界压力的超临界流体，也可以是温度、压力略低于临界温度、临 界压力的亚临界流体。