Model-based performance analysis of filtration devices and membrane adsorbers

Velali, Eirini; Wiechert, Wolfgang; Wessling, Matthias

doi:38323

Model-based performance analysis of filtration devices and membrane adsorbers = Modellbasierte Untersuchung der Leistung von Filtereinheiten und Membranadsorbern

Velali, Eirini^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Eirini Velali

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (viii, 110 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-12-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-06421
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/763532/files/763532.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Computational Systems Biotechnology (FZ Jülich) (420410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
computational fluid dynamics (frei) ; filtration devices (frei) ; membrane adsorbers (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Filtration devices and membrane adsorbers are commonly applied in biotechnology for separating target biomolecules from impurities. Filtration devices typically contain one or two membrane layers that are arranged in pleats around a cylindrical core. These membrane layers are held in place by fleece layers and a plastic cage. The water flow rate at different pressure drops is an important performance indicator for such filtration devices. This performance has been studied using Computational Fluid Dynamics (CFD), and the results were validated against experimental data. Four different methods for reconstructing the geometry of the pleated membrane were developed and compared. The impact of the plastic cage on the water flow rate was assessed using 3D simulations. The results reveal that this plastic cage has a negligible influence on the water flow rate except for very high permeabilities of the porous region that are not relevant for practical applications. However, the fleece layer has a significant impact on the water flow rate. The permeability of fleece layers is complicated to measure and direct experimental information was not available for this study. Hence, the unknown fleece permeability had to be determined from the measured water flow rates of the cartridges. The estimated values depend on the flow rate because they are affected by compression of the fleece layers towards the center of the device which is not explicitly accounted for in the geometry of the CFD simulations. The degree of compression also depends on the number of pleats and the core diameter. A linear dependency was found between the resistance (1/permeability) and the pressure drop, which allows predicting the full range from only two data points of a cartridge. Moreover, CFD simulations allow to transfer estimated fleece permeabilities between filtration devices with similar membrane properties. Membrane adsorbers (MA)s typically contain many more membrane layers than pleated filters in order to achieve larger bed height. Processes are often developed at small scales and then transferred to larger scales. This transfer is generally complicated by differences in the scaling behaviour of flow and binding related non-idealities. CFD simulations allow to consistently transfer model parameters across scales by independently capturing and practically decoupling the impacts of these non-idealities. In this study four commercial MAs are analyzed which contain the same membrane. They have membrane volumes from 0.08 mL to 1.6 L. The largest device has recently been introduced to the market. In addition, these so-called Cassettes can be parallelized to process volumes of up to 20.8 L and above. The estimated adsorption and desorption rates are flow rate dependent, which can be explained by a combination of convective and diffusive transport in the micro-pores of the membrane. However, the equilibrium constant and all other binding parameters are unaffected by that. Scale-up can be additionally complicated by batch-to-batch variations in the membrane capacity. This problem can be practically resolved by calibrating the CFD simulation to just one experiment with membrane from the same production batch.

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