Unified modeling and efficient simulation of chromatographic separation processes

Leweke, Samuel; Wiechert, Wolfgang; Mitsos, Alexander

doi:41051

Unified modeling and efficient simulation of chromatographic separation processes = Einheitliche Modellierung und effiziente Simulation chromatographischer Trennprozesse

Leweke, Samuel^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Samuel Leweke

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Mitsos, Alexander (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-03-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01184
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/840314/files/840314.pdf

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CADET (frei) ; chromatography analysis and design toolkit (frei) ; chromatography modeling (frei) ; chromatography simulation (frei) ; domain decomposition (frei) ; finite volume (frei) ; parallelization (frei) ; strong coupling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Flüssig-fest gepackte Säulenchromatographie ist das Zugpferd und der Hauptkostenfaktor der Aufreinigung in der biopharmazeutischen Industrie. In diesem Zusammenhang gewinnt mechanistische Modellierung, wegen ihres Potentials zur Beschleunigung der Prozessentwicklung und Reduzierung der Betriebskosten, zunehmend an Bedeutung. Diese erfordert effiziente und robuste Simulationssoftware, um typische Arbeitsabläufe der Modellierung wie zum Beispiel Parameterschätzung und Prozessoptimierung durchzuführen. In dieser Arbeit leiten wir die klassische Modellfamilie der Chromatographie aus einem hochauflösenden dreidimensionalen Modell her und erweitern diese um Partikelgrößenverteilungen, Reaktionsterme, und Bindungsmodelle mit mehreren Zuständen. Diese Einzelsäulenmodelle werden in ein System aus Submodellen eingebettet, um zyklische Mehrsäulenprozesse beschreiben zu können. Zudem ermöglichen die Reaktionsterme unter anderem die Modellierung von Festbettreaktoren und Kristallisatoren. Wir entwerfen die Softwarearchitektur des Einzelsäulenlösers CADET Version 2.0.3 neu, um das neue mathematische Gerüst aufzunehmen. Im nächsten Schritt implementieren wir mehrere eindimensionale Säulenmodelle und ein zweidimensionales Modell. Hierbei gehen wir detailliert auf die Diskretisierung der partiellen Differentialgleichungen mittels finiter Volumen ein und diskutieren Einzelheiten der Implementierung. Systeme von Submodellen werden durch einen stark gekoppelten monolithischen Ansatz mit implizitem Verfahren in der Zeit gehandhabt. Die Software nutzt moderne Mehrkernprozessoren durch mehrstufige task-basierte Parallelisierung, die auf einer geschachtelten Gebietszerlegung aufbaut. Um den Code zu verifizieren, leiten wir analytische Lösungen der Modelle in geschlossener Form im Hankel-Laplace Bereich her. Referenzlösungen werden durch numerische Inversion mittels Arithmetik beliebiger Präzision erzeugt. Darüber hinaus beweisen wir Fehlerabschätzungen des Inversionsverfahrens für eine große Klasse von Modellen, um die Genauigkeit der Lösungen zu kontrollieren. Wir untersuchen das Skalierungsverhalten der Parallelisierung und vergleichen die Performanz des Codes mit der vorherigen Version von CADET. Im Vergleich zu Version 2.0.3 ist die neue Software im Durchschnitt 29% schneller und 17 Prozentpunkte effizienter bei der Verwendung von zwei CPU Kernen. In einem Testfall mit mehreren Säulen beobachten wir einen zusätzlichen Speedup durch die mehrstufige Parallelisierung. Schließlich demonstrieren wir die Fähigkeiten des Simulationsframeworks in mehreren Fallstudien. Zunächst untersuchen wir die Effekte von räumlichen Schwankungen in Porosität und Partikelgrößenverteilung in einer Mikro-Säule mit Hilfe eines zweidimensionalen Modells. Dann berechnen wir die Dynamik und den zyklischen Gleichgewichtszustand eines Simulated-Moving-Bed-Reaktors für die Hydrolyse von Saccharose zu Fructose und Glucose mittels Invertase. Zuletzt betrachten wir thermodynamische Puffergleichgewichte und optimieren ein detailliertes Modell eines pH-Gradienten.

Liquid-solid packed-bed column chromatography is the workhorse and main cost factor of downstream processing in biopharmaceutical industry. In this context, mechanistic chromatography modeling has increasingly gained importance due to its potential for accelerating process development and reducing operating costs. This requires efficient and robust simulation software for executing typical modeling workflows such as parameter estimation or process optimization. In this work, we derive the classical chromatography model family from a high-resolution three-dimensional model and extend it to include particle size distributions, reaction terms, and multi-state binding models. These single-column models are embedded in a system of submodels to allow the description of cyclic multi-column processes. Moreover, the reaction terms enable modeling of fixed bed reactors and crystallization units, for example. We redesign the software architecture of the single-column solver CADET version 2.0.3 to accommodate the new mathematical modeling framework. In the next step, we implement several one-dimensional rate models and the two-dimensional general rate model. To this end, we detail the finite volume discretization of the partial differential equations and discuss low-level implementation details. We apply a strongly-coupled monolithic approach with implicit time stepping to handle the system of submodels. Using nested domain decomposition, the software exploits modern multi-core CPUs by multi-level task-based parallelism. In order to verify the code, we derive closed-form analytical solutions of the models in the Hankel-Laplace domain. Reference solutions are generated by numerical inversion using arbitrary precision arithmetics. Moreover, we prove error bounds of the inversion method for a large class of models to control the accuracy of the solutions. We investigate the parallel scaling behavior and compare the performance with the previous version of CADET. Compared to version 2.0.3, the new software is 29% faster on average and has a 17 percent points higher parallel efficiency when using two threads. In a multi-column benchmark, we observe an additional speedup due to multi-level parallelism. Finally, we demonstrate the capabilities of the simulation framework in several case studies. First, we investigate the effects of spatial variations of porosity and particle size distributions in a microcolumn using a two-dimensional model. Second, we compute the dynamics and the cyclic steady state of a simulated moving bed reactor for the enzymatic hydrolysis of sucrose to fructose and glucose using invertase. Last, we consider thermodynamic buffer equilibria and optimize a detailed pH gradient model.

OpenAccess:
PDF
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