Model-based performance analysis of filtration devices and membrane adsorbers

Velali, Eirini; Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor); Weßling, Matthias (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Filtereinheiten und Membranadsorber werden in der Biotechnologie häufig verwendet, um Zielmoleküle von Unreinheiten zu trennen. Filtrationseinheiten enthalten typischerweise ein oder zwei Membranlagen, die um einen zylindrischen Kern in Falten angeordnet sind. Diese Membranlagen werden durch Fleecelagen und einen Plastikkäfig an ihrem Platz gehalten. Die Wasserflussrate bei verschiedenen Druckabfällen ist ein wichtiger Performance-Indikator für solche Filtereinheiten. Diese Performanz wurde mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) untersucht, und die Ergebnisse wurden durch experimentelle Daten validiert. Vier verschiedene Methoden zur Rekonstruktion der Geometrie der gefalteten Membranen wurden entwickelt und verglichen. Der Einfluss des Plastikkäfigs auf die Wasserflussrate wurde mit Hilfe von 3D-Smulationen beurteilt. Die Resultate zeigen, dass dieser Käfig einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Wasserflussrate hat, außer für sehr große Permeabilitäten der porösen Region die für praktische Anwendungen nicht relevant sind. Die Fleecelagen haben einen signifikanten Einfluss auf die Wasserflussrate. Die Permeabilität der Fleecelagen ist kompliziert zu messen, und direkte Experimentaldaten waren für diese Studie nicht verfügbar. Deshalb mussten die Permeabilitäten aus den gemessenen Wasserflussraten bestimmt werden. Die geschätzten Werte hängen von der Wasserflussrate ab, die durch die Kompression der Fleecelagen zum Zentrum der Filtereinheit hin beeinflusst werden, was in der Geometrie der CFD-Simulationen jedoch nicht explizit berücksichtigt ist. Der Kompressionsgrad hängt auch von der Anzahl der Falten und dem Kerndurchmesser ab. Zwischen dem Widerstand (1/Permeabilität) und dem Druckabfall wurde ein linearer Zusammenhang festgestellt, was eine Vorhersage des gesamten Bereichs auf Basis von nur zwei Datenpunkte für die Filtereinheit erlaubt. Darüber hinaus erlauben die CFD-Simulationen, geschätzte Permeabilitäten zwischen Filtereinheiten mit ähnlichen Membraneigenschaften zu übertragen. Membranadsorber (MA) beinhalten gewöhnlich viel mehr Membranschichten, als gefaltete Filter, um eine größere Betthöhe zu erreichen. Prozesse werden häufig im Kleinmaßstab entwickelt und dann auf größere Maßstäbe übertragen. Diese Übertragung wird grundsätzlich durch unterschiedliches Skalierungsverhalten von fluss- und bindungsbezogenen Nichtidealitäten erschwert. CFD-Simulationen erlauben, Modellparameter konsistent zwischen Skalen zu übertragen, indem die Einflüsse dieser Nichtidealitäten unabhängig voneinander beschrieben und damit entkoppelt werden. In dieser Studie werden vier kommerzielle MA untersucht, die die gleiche Membran beinhalten. Sie habe Membranvolumen von 0.08 ml bis 1.6 L. Sie besitzt eine besonders komplizierte Geometrie, die im Gegensatz zu den anderen Einheiten dreidimensionale Simulationen erfordert. Darüber hinaus können diese sogenannten Kassetten parallelisiert werden, um Volumina von bis zu 20.8 L und darüber hinaus zu prozessieren. Die geschätzten Adsorptions- und Desorptionsraten hängen von der Flussrate ab, was durch eine Kombination von konvektivem und diffusivem Fluss in den Mikroporen der Membran erklärt werden kann. Die Gleichgewichtskonstante und alle anderen Bindungsparameter bleiben davon jedoch unberührt. Darüber hinaus kann der Skalenwechsel durch produktionsbedingte Variationen in der Bindungskapazität der Membranen erschwert werden. Dieses Problem kann praktisch gelöst werden, indem die CFD-Simulationen mit nur einem Experiment mit einer Membran aus der gleichen Produktionscharge kalibriert werden.

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