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Model based design and optimization of high capacitive membrane adsorbers = Modellbasiertes Design und Optimierung von hochkapazitiven Membranadsorbern
2021 & 2022
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-10-11
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-00218
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/837978/files/837978.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
hydrodynamics in membrane devices (frei) ; mass transfer modeling (frei) ; membrane adsorber (frei) ; membrane chromatography (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Um Biomoleküle aus Fermentationsbrühe zu isolieren, ist ein schneller und effizienter Downstreamprozess erforderlich. Aufgrund von diffusiven Stofftransportbeschränkungen zeigt Resinchromatographie typischerweise eine starke Abhängigkeit der Bindungskapazität von der Verweilzeit und ist daher in der Trenngeschwindigkeit begrenzt. Kleine Partikel haben kleinere konvektive Zwischenräume und daher einen höheren Druckabfall über dem Chromatographiebett zur Folge. Die konvektive Chromatographie, die beispielsweise auf Membranen basiert, ist ein vielversprechender Ansatz, der nahezu verweilzeitunabhängige Trennprozesse in Bezug auf die Bindungskapazität darstellt und eine hohe Prozessproduktivität ermöglicht. Aufgrund der Struktureigenschaften rein konvektiver Trennmedien wird die spezifische Oberfläche und damit die Bindungskapazität oft zu einem limitierenden Faktor. Membranadsorber mit biporöser Struktur können die Einschränkungen des Stofftransports im Vergleich zu konventionellen Resinchromatographiematerialien drastisch reduzieren. Konvektive Poren ermöglichen einen schnellen Stofftransport und diffusive Poren in den Membranstegen bieten Oberfläche für die Bindung. Die diffusiven Strecken in Membranen sind viel kleiner als herkömmliche Partikelradien, was höhere Flussraten im Prozess ermöglicht. Das Ziel dieser Arbeit ist die modellbasierte Optimierung solcher biporöser Membranadsorber. Die Membran wird hinsichtlich Betthöhe, konvektiver Porosität, Permeabilität, diffusiver Porenstruktur und der Länge des Diffusionsweges optimiert. Der Einfluss der Zielmolekülgröße und der Durchflussrate wird berücksichtigt. Sowohl die diffusive als auch die konvektive Porenstruktur wurde mit einem Gittermodell modelliert, das Informationen über die Poren- und Filamentdurchmesser liefert. Die Porendiffusionskoeffizienten wurden mit dem $General Rate Model$ bestimmt. Aufgrund des großen Durchmesser- zu Betthöhenverhältnisses von Membranadsorbern und des geringen Druckverlusts über die Membran ist eine adäquate Flussverteilung sehr wichtig. Daher wurden die Verweilzeitverteilungen (RTD) der Devices mit Hilfe von CFD-Simulationen untersucht. Der Einfluss von Betthöhe und Totvolumen in den Devices wurde analysiert. Außerdem wurde der Einfluss des Gehäuses und der Membran auf die RTD des gesamten Devices mit Hilfe von CFD-Simulationen getrennt. Es war möglich, experimentell erhaltene Membranadsorber-Durchbruchskurven mit einer Modifikation des $General Rate Models$ zu simulieren, um die Produktivität verschiedener potenzieller Membranadsorberkonfigurationen zu bestimmen. Die Prozessproduktivität wird für einen optimierten Membranadsorber im Vergleich zu konventionellen Resinprozessen um den Faktor 90 erhöht, wobei eine ideale Strömungsverteilung vorausgesetzt wird. Das Membranmaterial im aktuellen Zustand ist bereits 22 mal besser als das Resinverfahren.In order to isolate cell derived target molecules from the respective fermentation broth, faster and more efficient unit operations are required. Due to mass transfer limitations, resin chromatography typically shows a strong dependence of the binding capacity on the residence time and is therefore limited in separation velocity. Small particles cause thinner convective channels and therefore create a higher pressure drop over the chromatographic bed. Convective chromatography e.g. based on membranes, is a promising approach, representing nearly residence time independent separation processes with respect to the binding capacity, yielding high process productivity. Due to the inherent structural properties of purely convective separation media, the specific surface area and thus the binding capacity often become limiting factors. Membrane adsorbers with a biporous structure can improve the downstream process in bioprocesses, because mass transfer limitations are drastically reduced compared to conventional resin chromatography materials. Convective pores enable fast mass transfer and diffusive pores in the membrane bridges provide surface for binding. The diffusive pathways in membranes are much smaller than conventional bead diameters, allowing higher flow rates in the process. The aim of this thesis is the model based optimization of such membrane adsorbers. The membrane is optimized regarding bed height, convective porosity, permeability, diffusive pore structure and the length of diffusive pathway. The impact of the target molecule size and the flow rate are taken into account.The diffusive pore structure was modeled with a cubic grid model, which provides information of the pore and filament diameters. Pore diffusion coefficients were determined using the general rate model. Due to the large diameter to bed height ratio of membrane adsorbers, the adequate flow distribution is very important. Therefore, residence time distributions (RTD) of the devices were investigated using CFD simulations. The impact of bed height and dead volume in the devices was analyzed. Moreover, the influence of the housing and the membrane on the RTD of the total device were separated using CFD simulations. It was possible to simulate experimentally obtained membrane adsorber breakthrough curves with a modification of the general rate model. This model was used to determine productivities of different potential membrane adsorber configurations. The process productivity is increased by the factor of 90 for an optimized membrane adsorber compared to conventional state of the art resin processes, assuming an ideal flow distribution. The current status membrane material is already 22 times better than the resin process.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021264883
Interne Identnummern
RWTH-2022-00218
Datensatz-ID: 837978
Beteiligte Länder
Germany
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