Mikroskopische und makroskopische Untersuchungen des instationären hydrodynamischen Gedächtnisverhaltens von Chromatographiesäulen

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Dariusch Hekmat
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238934255

In der industriellen Praxis zeigen sich beim Betrieb von präparativen Chromatographiesäulen häufig Phänomene wie Mediumwandablösung, Bildung von Flusskanälen oder eine irreversible Verdichtung der Partikelschüttung, die sich negativ auf die Trennleistung auswirken können. Die Ursache dieser Phänomene kann basierend auf den bisherigen eigenen Erkenntnissen auf Inhomogenitäten der Packung zurückgeführt werden, die durch den Packvorgang induziert sind. In der ersten 3-jährigen Förderperiode wurde eine neuartige Mikrochromatographiesäule entwickelt, mit der das hydrodynamische Verhalten der Packung eingehend untersucht werden kann. Durch einen neuartigen, deterministischen, dreidimensionalen, hybriden Modellansatz, der Computational Fluid Dynamics (CFD) und die Diskrete Elemente Methode (DEM) miteinander koppelt, wurde das hydrodynamische Verhalten der Säulen simuliert. Damit war es möglich, die Interaktion zwischen den einzelnen Chromatographiepartikeln und zwischen den Partikeln und dem Fluid deterministisch zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse stimmten gut mit den experimentellen Daten aus Laborversuchen überein. Das komplexe Kompressions-/Relaxationsverhalten der Chromatographiepackung sowohl im durchströmten Zustand als auch unter mechanischer Einwirkung wurde untersucht. Dabei wurde ein axiales Kompressionsprofil der Packung sichtbar, welches für Strömungskompression und mechanische Kompression verschieden ist. So wurde im durchströmten Zustand ein linear mit der Packungshöhe ansteigender Druckverlauf beobachtet, wobei sich die stärkste Kompression am Säulenausgang ausbildete. Unter mechanischer Kompression hingegen zeigte die Packung einen exponentiell mit der Packungshöhe abfallenden Druckverlauf, wobei die stärkste Kompression am Säuleneingang unterhalb des Adapters auftrat. Im Rahmen der beantragten 12-monatigen zweiten Förderperiode sollen daher modellgestützt geeignete Kombinationen von Strömungskompression und mechanischer Kompression beim Packen untersucht werden, mit dem Ziel eine homogenere Packungsstruktur zu erreichen. In diesem Zusammenhang sollen auch erstmalig empirisch etablierte und in der Industrie häufig angewandte Packprozeduren hinsichtlich der erzielbaren Packungshomogenität verbessert werden. Die zusätzlich eingeführten Modellparameter werden durch individuelle Parameterstudien ermittelt, sodass mit dem erweiterten Simulationsmodell anschließend das Setzverhalten der Packung aufgrund von Partikelmigration und -umlagerung untersucht werden kann. Um das hybride Modell auch für Langzeitanalysen von Chromatographiepackungen in zyklischen Belastungs-/Regenerationsphasen verfügbar zu machen, soll ferner durch Einführung des sogenannten coarse grainings die Rechenzeit reduziert werden. Damit soll es ermöglicht werden, das hydrodynamische Verhalten der Chromatographiesäulen mit großer Genauigkeit vorherzusagen, um irreversible Bettschädigungen zu vermeiden und die Packprozeduren modellgestützt verbessern zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen