Modellbasierte Optimierung der Struktureigenschaften von polymeren Adsorbentien für die chromatographische Trennung von Glucose und Xylose

  • Model-based optimization of structural properties of polymeric resins for the chromatographic separation of glycose and xylose

Leipnitz, Martin; Jupke, Andreas (Thesis advisor); Bathen, Dieter (Thesis advisor)

Aachen (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series AVT. FVT - fluid process engineering 5 (2021)
Seite(n)/Artikel-Nr.: XVIII, 134 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

In der präparativen Chromatographie stellt das Adsorbent eine der wichtigsten Einflussgrößen auf die Leistungsfähigkeit eines Trennapparats dar. Die Leistungsfähigkeit eines solchen Trennapparats kann unter Verwendung von modellbasierten Optimierungsstrategien in frühen Auslegungsstadien signifikant erhöht werden. Strategien dieser Art beschränken sich jedoch üblicherweise auf die Optimierung des Anlagendesigns und der Betriebspunkte, nachdem die Wahl eines geeigneten Adsorbent getroffen wurde. Obwohl die Wahl des Adsorbent einen hohen Stellenwert besitzt, wird diese zumeist auf Basis von Expertenwissen oder der experimentellen Untersuchung einer Vorauswahl von möglichen Kandidaten getroffen. Die Integration der Wahl des Adsorbent in einen modellbasierten Ansatz erfolgt hierbei nicht. Im Zuge dieser Forschungsarbeit wurde ein modellbasierter Ansatz zur optimalen Auswahl von Adsorbentien entwickelt. Als zu untersuchendes Stoffsystem wurde ein Gemisch bestehend aus Glucose und Xylose gewählt. Zur Aufreinigung von Monosacchariden in präparativem Maßstab hat sich die Verwendung von Kationenaustauscherharzen und Wasser etabliert. Als leistungsbestimmende Struktureigenschaften dieser Adsorbentien wurden der Quervernetzungsgrad, die Ionen-Form sowie die Partikelgröße identifiziert. Die Parametrisierung von Kationenaustauscherharzen mit unterschiedlichen Struktureigenschaften für ein Transport Dispersive Model erfolgte in einem sequentiellen Versuchsplanunter Verwendung einer semi-präparativen Chromatographieanlage. Es wurden Adsorbentien mit Quervernetzungsgraden von 2% bis 9 %, Partikelgrößen von 55,5 μm bis 350 μm und der Ionen-Formen Na-, Ca-, Mg- und K-Form experimentell untersucht. Basierend auf den ermittelten Daten wurden mathematische Korrelationen zwischen Modellparametern und den Struktureigenschaften hergeleitet. In verschiedenen Simulationsstudien wurde die diskontinuierliche Trennung von Glucose und Xylose unter Verwendung einer Fraktionierstrategie ohne Waste Fraktion untersucht. Mittels mechanistischer Modellierung unter Verwendung der hergeleiteten Korrelationen wurden Design- und Betriebsparameter sowie Struktureigenschaften von Adsorbentienoptimiert. Die Leistungsfähigkeit der Trennung für Adsorbentien mit optimierten Struktureigenschaftenwurde mit der von Adsorbentien mit industriell etablierten Struktureigenschaftswertenverglichen. Alle optimierten Adsorbentien wiesen eine signifikant höhere volumenspezifische Produktivität auf. Neben der Optimierung von Struktureigenschaften für eine spezifische Trennaufgabe wurde der Einfluss von Randbedingungen der Trennung auf die Wahl des optimalen Adsorbentuntersucht. In verschiedenen Fallstudien wurden optimale Struktureigenschaften sowie Design- und Betriebsparameter für Trennungen mit unterschiedlichen Reinheits- und Ausbeuteanforderungen sowie für unterschiedliche Zusammensetzungen des Feedgemischs ermittelt. Hierbei wurden für unterschiedliche Randbedinungen unterschiedliche optimale Struktureigenschaftswerte identifiziert. Basierend auf diesen Ergebnissen konnte die Schlussfolgerung gezogen werden, dass Adsorbentien mit der höchsten Selektivität nicht mit der höchsten volumenspezifischen Produktivität assoziiert sein müssen. Daher sind die Struktureigenschaften des optimalen Adsorbent an eine spezifische Trennaufgabeunter Berücksichtigung der Randbedingungen zu wählen.

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