Modellbildung für die "Bevorzugte Kristallisation" zur Gewinnung reiner Enantiomere
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses teilweise gemeinsam mit der TU Berlin (Arbeitskreis Prof. Jörg Raisch) bearbeiteten Projektes wurde die bevorzugte Kristallisation zur Trennung von racemischen Gemischen zweier Stereoisomere experimentell und theoretisch untersucht. Dieses Verfahren läuft im metastabilen Gebiet des Phasendiagramms ab und wird durch die Anwesenheit einer Verunreinigung von 50% erschwert. Da reine Enantiomere (Bestandteile des Racemats) z.B. in der pharmazeutischen Industrie eine herausragende Bedeutung besitzen, stellt die Trennung des Gemisches beider Moleküle eine wichtige Herausfordemng an die chemische Verfahrenstechnik dar. Der Prozess läuft klassischer Weise in einem einzelnen Rührkessel ab. Dabei wird die racemische Lösung derart unterkühlt, dass keine spontane Kristallisation (Nukleation) stattfindet. In diesem metastabilen Zustand kann durch Zugabe homochiraler Impfkristalle die bevorzugte Kristallisation dieser gewünschten Komponente induziert werden. Bis zu einem gewissen Zeitpunkt verbleibt die Verunreinigung (das Gegenenantiomer) in Lösung und es kann reines Produkt gewonnen werden. Über diesen Punkt hinaus kommt es zur Nukleation der unerwünschten Komponente und einer stetigen Verunreinigung des Produktes. Im Zuge des Projektes wurde eine Modellbildung zur mathematischen Beschreibung des Prozesses vorgenommen. Dabei wurde ein besonderer Fokus auf die Numerik zur Lösung hyperbolischer partieller Differentialgleichungen gelegt, die in Form von Populationsbilanzen auftreten. Ferner wurde ein bestehendes vereinfachtes Modell erweitert, so dass nun eine vollständigere und genauere Beschreibung, der bei der Kristallisation auftretenden Phänomene, zur Verfügung steht. Diese wurde im weiteren Projektverlauf für die Regelung durch die Gruppe RAISCH (TU Beriln), sowie zur Optimierung und Untersuchung weiterer Prozessvarianten erfolgreich eingesetzt. Eine intelligente Verschaltung zweier Reaktoren, die durch kontinuierlichen Austausch der klaren Lösung miteinander gekoppelt sind kann eine Nukleation der Verunreinigung verhindern. Bei diesem Prozess werden die beiden Kristaller mit jeweils einem Enantiomer beimpft, welche dann getrennt voneinander kristallisieren und somit die Übersättigung der jeweiligen unerwünschten Spezie senken. Ein solcher Prozess läuft am effizientesten, wenn die gemeinsame Lösung stets racemische Zusammensetzung beibehält, was identische Kristallisationsraten voraussetzt. Dies ist aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit der Impfkristalle fast unmöglich, sofern kein Eingriff in den Prozessablauf erfolgt. Daher wurden im Rahmen dieses Projektes, zusammen mit der Gruppe RAISCH (TU Berlin), theoretische und experimentelle Studien angestellt, die letztendlich zur Entwicklung und Erprobung geeigneter Regelungsstrategien führten. Der Einsatz einer modellbasierten Regelung zur Gewährleistung der symmetrischen Kristallisation beider Enantiomere konnte dabei erfolgreich demonstriert werden. Ausgehend von den während dieses Projektes erarbeiteten Werkzeugen und den gewonnenen Erkenntnissen ist eine breitere Anwendung des untersuchten enantioselektiven Kristallisationsprozesses denkbar. Die bevorzugte Kristallisation von verbindungsbildenden Systemen stellt allerdings weiterhin eine Herausforderung dar, kann aber von dem Einsatz einer modellbasierten Regelung stark profitieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008). Optimal Operation of enantioseparation by batch-wise preferential crystallization. Chemical Engineering Science 63(5): 1282-1292
Angelov, I., J. Raisch, M. P. Eisner and A. Seidel-Morgenstern
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(2009). Effect of fines dissolution on the performance of preferential crystallization for the production of pure enantiomers. Icheap-9: 9th International Conference on Chemical and Process Engineering, Pts 1-3 17: 651-656
Eicke, M., A. Seidel-Morgenstern and M. P. Elsner
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(2009). Efficient Separation of Enantiomers by Preferential Crystallization in Two Coupled Vessels. AIChE Journal 55(3): 640-649
Eisner, M. P., G. Ziomek and A. Seidel-Morgenstern
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Effect of fines dissolution on the performance of preferential crystallization for the production of pure enantiomers. (ICheaP-9 - 9th Intemational Conference on Chemical and Process Engineering, 2009-05-10 to 2009-05-13, Rome, Italy)
Eicke, M., A. Seidel-Morgenstern and M. P. Elsner
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Polythermal coupled preferential crystallisation (PCPC): An easy and efficient way for the resolution of conglomerates. (BACG 40th Adversary Meeting, 2009-09-06 to 2009-09-08, Bristol, UK)
Eicke, M., A. Seidel-Morgenstern and M. P. Elsner
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(2010). Efficient solution of a batch crystallization model with fines dissolution. Journal of Crystal Growth 312(20): 2936-2945
Qamar, S., S. Mukhtar and A. Seidel-Morgenstern
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Combining polythermal operation and fines destruction to increase the efficiency of simple batch preferential crystallization. (PBM 2010 - 4th International Conference on Population Balance Modelling, 2010-09-15 to 2010-09-17, Berlin, Germany)
Eicke, M. J.. 1. Angelov, A. Seidel-Morgenstern and M. P. Elsner
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Innovative Control Strategies for Coupled Preferential Crystallization. In: WCPr6 2010 - Abstracts and Proceedings, Seq. No.: H H I 0 00217 (2010) 1-4
Hofmann, S., M. Eicke, M. P. Eisner and J. Raisch
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Separation of Enantiomers by Coupled Preferential Crystallization - Impact of Initial Conditions On Process Performance. (2010 AIChE Annual Meeting, 2010-11-07 to 2010-11-12, Salt Lake City, USA)
Eicke, M.. S. Hofmann, J. Raisch. M. P. Elsner and A. Seidel-Morgenstern
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(2011). Simultaneous preferential crystallization in a coupled batch operation mode. Part II: Experimental study and model refinement. Chemical Engineering Science 66(6): 1269-1284
Elsner, M. P., G. Ziomek and A. Seidel-Morgenstern
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A Worst-Case observer for impurities in enantioseparation by preferential crystallization. In: 21st European Symposium on Computer Aided Process Engineering - Part A, (Eds.) Pistikopoulos, E.N., Georgiadis, M.C, Kokossis, A.C. Computer-Aided Chemical Engineering 29. Elsevier, Amsterdam (2011) 860-864
Hofmann, S., M. J. Eicke, M. P. Elsner, A. Seidel-Morgenstern and J. Raisch
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Possibilities and Limitations of Polythermal Coupled Preferential Crystallization. (ISIC 18 - 18th International Symposium on Industrial Crystallization, 2011-09-13 to 2011-09-16, Zurich, Switzeriand)
Eicke, M. J., M. P. Elsner and A. Seidel-Morgenstern
