Populationsbilanz-basierte und morphologische Modellierung von Kristallisationsprozessen

Maßmann, Tim; Jupke, Andreas (Thesis advisor); Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Die Einbindung von Simulationswerkzeugen in den Entwicklungsprozess von Kristallisationsprozessen stellt ein großes Potential zur Reduktion von Kosten und Zeit dar. Aktuell ist der Einsatz von detaillierten Simulationswerkzeugengering, Ursachen sind die geringe Übertragbarkeit und Prädiktivität. Ziel dieser Arbeit ist, durch die Erweiterung der sequentiellen Parameterbestimmung und die Integration der Kristallmorphologie, die Übertragbarkeit und Prädiktivität zu verbessern. An Hand der Beispielstoffsysteme Itaconsäure und Oxalsäure aus dem Umfeld der weißen Biotechnologie wird der Mehrwert der Integration der Kristallmorphologie auf die Übertragbarkeit gezeigt. Im ersten Teil werden die Simulationsparameter der gewählten zeitgesteuerten n-Monte-Carlo Simulation für die ausgewählten kinetischen Modelle bestimmt. Durch eine Erweiterung des Simulationsansatzes werden die Simulationsparameter, die Anzahl repräsentativer Kristalle und die Zeitschrittweite bzw. die Anzahl der notwendigen Simulationsschritte reduziert. Auf Basis der bestimmten Simulationsparameter werden für Itaconsäure und Oxalsäure die kinetischen Modellparameter von Bruch, Wachstum, Agglomeration und Nukleation bestimmt. Zur Bestimmung der kinetischen Parameter werden gezielt Experimente nach einem in dieser Arbeit erweiterten sequentiellen Schemadurchgeführt. Es zeigt sich, dass die Kristallisation von Itaconsäure mittels eindimensionaler Modellierung der Kristallphase gut beschrieben wird. Hingegen weist die Simulation von Oxalsäure starke Unterschiede zwischen Experiment und Simulation mittels eindimensionalem Ansatz auf. Ursache ist die deutlich stärkere Abweichung zwischen stationärer Krstistallform und der eindimensionalen Form. Dies motiviert die Integration der Morphologie, um eine höhere Übertragbarkeit und Anwendbarkeit des Modells, für von der eindimensionalen Form abweichende stationäre Kristallformen, zu erzielen. Für die Integration der Morphologie wird die Implementierung und die notwendige Genauigkeit der Berechnung der Kristallmorphologie untersucht. Der Einfluss der Morphologie auf die implementierten kinetischen Raten wird gezeigt und für die Bruchkinetik die Einbindung der Morphologie realisiert. Die morphologische Modellierung wird dann zur Simulation von Itaconsäure und Oxalsäure eingesetzt. Für Oxalsäure erfolgt die Anpassung des kinetischen Bruchparameters. Abschließend wird für Oxalsäure die verbesserte Abbildung der morphologische Simulation im Vergleich zur eindimensionalen Simulation an Hand eines Experiments gezeigt.

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