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http://dx.doi.org/10.25673/109914
Title: | Separation of solid solutions using counter-current crystallization : improved operation through antisolvents |
Author(s): | Tenberg, Vico |
Granting Institution: | Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik |
Issue Date: | 2023 |
Extent: | viii, 127, XXI Seiten |
Type: | Hochschulschrift |
Type: | PhDThesis |
Exam Date: | 2023 |
Language: | English |
URN: | urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-1118696 |
Subjects: | Thermische Verfahrenstechnik Counter-current crystallization |
Abstract: | Separating different components present in a solid solution is a challenging purification
task. The components cannot be isolated in a single crystallization step. Crystallizationbased
compound-specific enrichment in either the liquid or solid phase can only be achieved
by multistage or counter-current crystallization. Apart from developing such processes,
solid-liquid equilibria and crystallization behavior determination is non-trivial for such
systems and requires in-depth investigations applying a multitude of analytical methods,
e.g. HPLC, PXRD, and DSC/FSC.
In this work, the impact of utilizing antisolvents to enhance crystallization processes
are investigated experimentally for the model solid solution forming system L-valine /Lleucine
and various water/antisolvent mixtures. Ethanol, isopropanol, and acetone were
chosen as antisolvents. The experimentally determined solid-liquid equilibria were modeled
empirically as well as predictively via a novel theoretical approach. The latter is
based on combining NRTL and PC-SAFT models to describe the solid and liquid phases,
respectively. The empirical models were used in a predictive process simulation of the
counter-current crystallization to plan corresponding experiments. The predictions were
successfully validated at pilot plant scale.
As a basis for future optimizations, a new quantification approach for solid solution separations
was developed and demonstrated for the model system to identify optimal crystallization
strategies and conditions. The L-valine /L-leucine system exhibits alyotropic
behavior in analog to azeotropes in vapor-liquid equilibria. Using the methods and approaches
developed in this work, a novel separation process based on a dual countercurrent
crystallization is capable of purifying also other alyotropic mixtures.
This work utilized various experimental and theoretical investigations of solid solutions
and counter-current crystallization processes and deepened system knowledge and process
understanding. These insights can be widely utilized to conceptually design countercurrent
crystallization processes capable to solve complex separation problems involving
solid solutions. Die Trennung von Mischkristallen stellt eine schwierige Aufgabe dar, da diese in einem einzigen Kristallisationsschritt nicht komplett aufgereinigt werden können. Eine Anreicherung durch Kristallisation der einzelnen Komponenten in der festen oder flüssigen Phase kann ausschließlich durch mehrstufige Prozesse wie fraktionierte oder Gegenstromkristallisation erreicht werden. Neben der Entwicklung solcher Prozesse, sind auch die Messung der komplizierten Fest-Flüssig Phasengleichgewichte und die Bewertung des Kristallisationsverlaufes nicht trivial. Hierzu werden aufwendige Experimente und analytische Methoden, wie beispielsweise HPLC, PXRD, und DSC/FSC, benötigt. In dieser Arbeit wird der Einsatz der Verdrängungskristallisation zur Verbesserung der Effizienz des Kristallisationsprozesses für das Modellsystem der Aminosäuren L-Valin und L-Leucin in unterschiedlichen Wasser/Antisolvent-Mischungen untersucht. Als Verdrängungsmittel wurden hierzu Ethanol, Isopropanol und Aceton ausgewählt. Die analysierten Fest-Flüssig-Gleichgewichte dieser Systeme wurden sowohl empirisch als auch mit einem neuen kombinierten Ansatz aus NRTL und PC-SAFT Modellen prädiktiv modelliert. Die empirische Modellierung wurde in einer Prozesssimulation eines Gegenstromkristallisationsprozesses verwendet. Die Simulationsergebnisse wurden genutzt, um validierende Experimente im Pilotanlagen-Maßstab durchzuführen. Um zukünftig weitere Optimierungen durchführen zu können, wurde eine Methode entwickelt, welche die Mischkristalltrennung unabhänging von der gewählten Kristallisationsstrategie und den Bedingungen quantifizieren kann. Das Modellsystem aus L-Valin und L-Leucin zeigt ein alyotropes Phasenverhalten. Dieses ist analog zum bekannten azeotropen Phasenverhalten von Gas-Flüssig-Gleichgewichten. Mit den in dieser Dissertation erarbeiteten Strategien wurde ein neuer dualer Gegenstromkristallisationsprozess entwickelt, mit welchem alyotrope Mischungen aufgereinigt werden können. Diese Arbeit stellt verschiedene experimentelle sowie theoretische Untersuchungen des Phasenverhaltens von Mischkristallen sowie der Gegenstromkristallisation vor. Die Ergebnisse tragen zu bei ein tieferes Verständnis für diese komplexen Thematiken zu schaffen. Dieses Verständnis kann genutzt werden, um Gegenstromkristallisationsprozesse kozeptionell zu planen und auszulegen, welche in der Lage sind komplexe Trennprobleme zu lösen. |
URI: | https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/111869 http://dx.doi.org/10.25673/109914 |
Open Access: | Open access publication |
License: | (CC BY-SA 4.0) Creative Commons Attribution ShareAlike 4.0 |
Appears in Collections: | Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik |
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