Effect of limited column efficiency on feasible operating parameters in batch and SMB chromatography

Abstract

Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia panosprosessikromatografiaa ja simuloidun liikkuvanpedin kromatografiaa (SMB) tasapaino-dispersiivisen mallin avulla sekä analysoida erotusprosessin tulosten eroavaisuuksia ideaali- ja epäideaalimallilla samoissa käyttöolosuhteissa. Panosprosessin simulointi toteutettiin MATLAB-ohjelmistolla, hyödyntäen kirjallisuudesta löytyneitä yhtälöitä ja soveltamalla aineensiirron yhtälöitä Finite Volume-menetelmään. SMB-kromatografian simulointimallin ratkaiseminen vaati merkittävää laskentatehoa, minkä vuoksi rinnakkaislaskentaa käytettiin tarvittavan datamäärän tuottamiseksi. Vertailukelpoisen datan saamiseksi käytettiin työn ohjaajan kehittämiä CSC-simulaatiomalleja. Saadut tulokset validointiin kirjallisuudesta löytyneillä tuloksilla. Panosprosessin kromatogrammit vahvistettiin MATLAB-simulaatiomallilla. Unified Design-menetelmän periaatteiden mukaisesti kromatografisen erotuksen odotettiin tuottavan saman puhtauden eri komponenteille samoissa olosuhteissa riippumatta prosessista ideaali mallia käyttäen. Tutkimuksessa havaittiin, että epäideaalimallissa aksiaalinen dispersio aiheutti eroavaisuuksia komponenttien puhtauksissa eri prosessien välillä. Käyttöparametrien alue, jolla saavutettiin halutut puhtaudet erotuksessa, supistui nopeasti tai sitä ei ollut panosprosessissa ja supistui SMB-kromatografiassa, kun aksiaalisen dispersiokertoimen numeerista arvoa kasvatettiin. Saavuttaakseen halutut puhtaudet epäideaalimallissa SMB-prosessissa, tuoresyötön määrää laskettiin ja toisen alueen virtausta nostettiin. Korkean puhtauden erotuksen saavuttamiseksi panosprosessissa tarvittaisiin useita leikkaustapahtumia.

The goal of this research was to study batch chromatography and Simulated Moving Bed (SMB) chromatography with equilibrium-dispersive model and how non-ideality affects separation results compared to ideal chromatography under identical operational conditions. Batch process simulation model was built basing on equations found from literature in MATLAB for gaining proper understanding about mass transfer equations in chromatographic separations and from modelling with Finite Volume (FV) method. Because SMB process is complex to simulate and requires heavy computational effort, parallel computing is required for creating enough data about SMB process. For gaining comparable data about both processes, CSC simulation models created by supervisor of this research were used for data creation. Used CSC simulation models were verified with similar results from literature. Batch process chromatograms were compared to chromatograms created with MATLAB. Basing on Unified Design Method (UDM), chromatographic separation should produce same purity for separated components with same conditions with ideal model, no matter what process is. It was found out that with non-ideal model, axial dispersion is creating difference in gained purities between processes. Area of operational parameters where components reached wanted purity levels, shrunk rapidly or did not exist in batch process, and shrunk with SMB process while value for axial dispersion was increasing. It was found out that to reach wanted component purity levels with SMB process with non-ideal model, fresh feed volumetric flow in should be decreased while volumetric flow from SMB’s second zone should be increased. For gaining high purity separation for batch process, several cut events are required.