Design und Online-Optimierung eines neuen kontinuierlichen chromatographischen Trennverfahrens für „Center-Cut“-Trennungen

• Antragsteller: Dr. Ju Weon Lee, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441831362

Bei der Herstellung von Feinchemikalien und in der pharmazeutischen Industrie werden häufig chromatographische Trennverfahren eingesetzt, um aus komplexen Gemischen wertvolle Zielkomponenten zu isolieren, die zwischen Verunreinigungen eluieren. Derartige Aufgaben werden als „Center-Cut“-Trennungen bezeichnet. Es ist bekannt, dass kontinuierliche chromatographische Trennverfahren wie das „Simulated Moving Bed“ (SMB)-Verfahren im Vergleich zu diskontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Trennprozessen effizient und kostengünstig sind. Aufgrund der operativen und strukturellen Komplexität ist es jedoch immer noch eine Herausforderung, geeignete kontinuierliche Chromatographieverfahren zu entwerfen und zu optimieren. In diesem Antrag stellt der Antragsteller ein neuartiges Konzept der SMB-Chromatography vor, mit dem eine in der Mitte eines chromatographischen Profiles eluierende Zielkomponente isoliert werden kann. In theoretischen Vorarbeiten untersuchte der Antragsteller eine bestehende Analogie zwischen der SMB-Chromatographie und der fraktionierenden Destillation mit einem Fokus auf dem „Dividing wall (DW)“-Konzept, welches in der fraktionierende Mehrkomponenten-Destillation drei Ausläufe liefert und inzwischen sehr gut etabliert ist. Basierend auf Analogiebetrachtungen wurde in Vorarbeiten ein neuartiges kontinuierliches SMB-Prozesskonzept für „Center-Cut“-Trennungen („Doppelte-6-Zonen-SMB“) entwickelt. Der Energiesparmöglichkeit bei Einsatz des DW-Destillationsverfahren im Vergleich zu äquivalenten Verschaltungen zweier Destillationskolonnen entspricht im “Doppelte 6-Zonen-SMB“-Prozess der Möglichkeit zur Senkung des Lösungsmittelverbrauchs im Vergleich zum äquivalenten „SMB-Kaskaden“-Prozess. Die im Antrag beschriebenen Ergebnisse von theoretischen Voruntersuchungen basieren auf einem vereinfachenden Ansatz unter Verwendung des idealen Gleichgewichtsmodells der Chromatographie und der Annahme linearer Adsorptionsisothermen. Im Rahmen dieses Projekts sollen sowohl theoretische als auch experimentelle Ergebnisse erzielt werden. Im theoretischen Teil in Zusammenarbeit mit Prof. Achim Kienle an der Gastinstitution, Otto-von-Guericke-Universität sollen eine neue vereinfachte Entwurfsmethode für konkurrierende nichtlinearen Isothermen sowie eine Online-Optimierung unter Verwendung eines rigorosen Prozessmodells entwickelt und für die Planung von Experimenten im Pilot-Maßstab eingesetzt werden. Im experimentellen Teil wird das Prinzip der „Doppelte-6-Zonen-SMB“ in eine verfügbare Pilot-SMB-Anlage implementiert, die vom Kooperationspartner Prof. Andreas Seidel-Morgenstern, Max-Planck-Institut Magdeburg, bereitgestellt wird. Die entwickelte Auslegungs- und Optimierungsmethode sollen für die Trennung einer Modellmischung aus mehreren Cycloketonen, experimentell validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen