Unified modeling and efficient simulation of chromatographic separation processes

  • Einheitliche Modellierung und effiziente Simulation chromatographischer Trennprozesse

Leweke, Samuel; Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor); Mitsos, Alexander (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Flüssig-fest gepackte Säulenchromatographie ist das Zugpferd und der Hauptkostenfaktor der Aufreinigung in der biopharmazeutischen Industrie. In diesem Zusammenhang gewinnt mechanistische Modellierung, wegen ihres Potentials zur Beschleunigung der Prozessentwicklung und Reduzierung der Betriebskosten, zunehmend an Bedeutung. Diese erfordert effiziente und robuste Simulationssoftware, um typische Arbeitsabläufe der Modellierung wie zum Beispiel Parameterschätzung und Prozessoptimierung durchzuführen. In dieser Arbeit leiten wir die klassische Modellfamilie der Chromatographie aus einem hochauflösenden dreidimensionalen Modell her und erweitern diese um Partikelgrößenverteilungen, Reaktionsterme, und Bindungsmodelle mit mehreren Zuständen. Diese Einzelsäulenmodelle werden in ein System aus Submodellen eingebettet, um zyklische Mehrsäulenprozesse beschreiben zu können. Zudem ermöglichen die Reaktionsterme unter anderem die Modellierung von Festbettreaktoren und Kristallisatoren. Wir entwerfen die Softwarearchitektur des Einzelsäulenlösers CADET Version 2.0.3 neu, um das neue mathematische Gerüst aufzunehmen. Im nächsten Schritt implementieren wir mehrere eindimensionale Säulenmodelle und ein zweidimensionales Modell. Hierbei gehen wir detailliert auf die Diskretisierung der partiellen Differentialgleichungen mittels finiter Volumen ein und diskutieren Einzelheiten der Implementierung. Systeme von Submodellen werden durch einen stark gekoppelten monolithischen Ansatz mit implizitem Verfahren in der Zeit gehandhabt. Die Software nutzt moderne Mehrkernprozessoren durch mehrstufige task-basierte Parallelisierung, die auf einer geschachtelten Gebietszerlegung aufbaut. Um den Code zu verifizieren, leiten wir analytische Lösungen der Modelle in geschlossener Form im Hankel-Laplace Bereich her. Referenzlösungen werden durch numerische Inversion mittels Arithmetik beliebiger Präzision erzeugt. Darüber hinaus beweisen wir Fehlerabschätzungen des Inversionsverfahrens für eine große Klasse von Modellen, um die Genauigkeit der Lösungen zu kontrollieren. Wir untersuchen das Skalierungsverhalten der Parallelisierung und vergleichen die Performanz des Codes mit der vorherigen Version von CADET. Im Vergleich zu Version 2.0.3 ist die neue Software im Durchschnitt 29% schneller und 17 Prozentpunkte effizienter bei der Verwendung von zwei CPU Kernen. In einem Testfall mit mehreren Säulen beobachten wir einen zusätzlichen Speedup durch die mehrstufige Parallelisierung. Schließlich demonstrieren wir die Fähigkeiten des Simulationsframeworks in mehreren Fallstudien. Zunächst untersuchen wir die Effekte von räumlichen Schwankungen in Porosität und Partikelgrößenverteilung in einer Mikro-Säule mit Hilfe eines zweidimensionalen Modells. Dann berechnen wir die Dynamik und den zyklischen Gleichgewichtszustand eines Simulated-Moving-Bed-Reaktors für die Hydrolyse von Saccharose zu Fructose und Glucose mittels Invertase. Zuletzt betrachten wir thermodynamische Puffergleichgewichte und optimieren ein detailliertes Modell eines pH-Gradienten.

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