Modellierung von Membrantrennverfahren am Beispiel der Ultrafiltration in der biotechnologischen und der Pervaporation in der chemischen Verfahrenstechnik

Thiess, Holger GND

Membrantrennverfahren stellen in der biopharmazeutischen und chemischen Verfahrenstechnik eine wichtige Grundoperation dar. Zwei Beispiele sind die Ultrafiltration, eingesetzt bei der Herstellung von biologischen Makromolekülen wie monoklonalen Antikörpern, und die Pervaporation, welche beispielsweise bei der Dehydrierung von Lösungsmitteln eingesetzt wird. Aus diesen Beispielen folgt die industrielle Nachfrage nach Methoden für Auslegung, Scale-up und Optimierung dieser Trennverfahren. Hierbei bietet sich die computergestützte Modellierung gekoppelt mit gemessenen Realdaten im Vergleich zu häufig eingesetzten empirischen Vorgehensweisen an. Die Modellentwicklung setzt dabei ein hohes Maß an Prozessverständnis und damit Kenntnisse über die relevanten Transportphänomene für Stoff-, Wärme- und Impulstransport voraus. In dieser Arbeit werden Modelle für die Membrantrennverfahren Pervaporation und Ultrafiltration entwickelt. Mit dem Ziel der Dehydrierung von Lösungsmitteln wird für die Pervaporation ein physiko-chemisches Modell ausgearbeitet. Mit Hilfe unterschiedlicher Versuche im Mini-Plant-Maßstab erfolgt eine Modellparameterbestimmung und -validierung. Anhand von Realdaten einer großtechnischen Anlage konnte der Nachweis der Skalierbarkeit des entwickelten Modells erbracht werden. Für Ultrafiltrationskassetten mit schwebenden Gewebeeinbauten wird ein statistischer Versuchsplan aufgestellt, der vier Moduleigenschaften, mit dem Ziel den Einfluss des Moduldesigns auf die Leistung der Kassetten zu untersuchen und zu quantifizieren, variiert. Hierzu erfolgt eine detaillierte Analyse des Stofftransport- und Druckverlustverhaltens und eine statistische Modellierung im Hinblick einer optimierten Modulgeometrie.

Membrane-based separation processes are fundamental unit operations in biopharmaceutical and chemical process technology. Ultrafiltration utilized for instance in the downstream processing during the production of monoclonal antibodies or pervaporation unit operations for the dehydration of organic solvents constitute as two examples. These industrial, large scale applications elucidate a demand for design, scale-up and optimization tools for membrane-based unit operations, with computer-assisted modelling paired with measuring data from laboratory / mini-plant experiments being a distinctive method. However, the model development demands a precise knowledge of the relevant mass, heat and impulse transfer phenomena. In this work, models for the membrane-based unit operations ultrafiltration and pervaporation are developed. For a pervaporation unit operation utilized for the dehydration of organic solvents, a physico-chemical model is elaborated. The determination of key model parameters and model validation is based on a series of diverse experiments. By comparing the simulated data from the pervaporation model to measuring data from an industrial scale pervaporation unit operation with 200 m² membrane area, the scalability of the derived model was proven. For an ultrafiltration unit operation, four geometrical characteristics of suspended screen channel cassettes are varied utilizing design of experiments (DoE), aiming to determine and quantify their influence on the performance of the cassette itself. For this purpose, a detailed analysis of the mass transfer and pressure drop is performed and a statistical model targeting an optimized cassette design is derived.

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Thiess, Holger: Modellierung von Membrantrennverfahren am Beispiel der Ultrafiltration in der biotechnologischen und der Pervaporation in der chemischen Verfahrenstechnik. 2019.

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