Dynamic modeling and optimization of a continuous fluidized bed process for the separation of enantiomers by preferential crystallization

Abstract

This thesis is concerned with investigating a purification process of chemical compounds called enantiomers using kinetically controlled preferential crystallization in fluidized beds. Attention is paid to three main aspects - the analysis of the crystallization process, its modeling, and subsequent application of the developed model to improve the process performance. Typically, particles are not uniform, and different properties, such as size, shape, and internal composition, are distributed over the particle population. The distribution of these properties may significantly impact the process performance. Modeling crystallization processes in a simple way, such as calculating just yield using thermodynamics, does not provide important information about system evolution. In combination with the process kinetics, the Population Balance concept is applied in this study to construct a model and predict the crystal size distribution. The developed model describes the interaction between crystal growth, particle transport, and fluid dynamics in the non-isothermal case. In contrast to previous studies, the model equations distinguish between the target and the counter-enantiomer. Thus, the productivity of the process and the purity of the product can be evaluated. According to experimental conditions, periodic crystals removal is implemented based on the height of the fluidized bed. The results of the laboratory experiments generated in a parallel doctoral research project allowed the model validation using a racemic mixture of asparagine monohydrate and water as the solvent. Based on the good quantitative agreement between the experimental and simulation results, general conclusions are drawn to highlight the significant potential of the model. Moreover, the research identified the relevant operational parameters to ensure that the process is highly productive. The relevance of the model parameters is studied by performing a local sensitivity analysis. To assess the parameter influences, a normalized sensitivity function is applied. Using the results of the sensitivity studies, model-based process optimization is performed to improve process efficiency. The steady-state optimization, considering imposed constraints, made it possible to design an efficient set of geometry and operating conditions based on the attainable regions. It is demonstrated that the proposed optimal design of the crystallizer setup increases productivity, and additionally, it allows the absence of contamination in the final product. This dissertation primarily demonstrates the applicability of the developed model of preferential crystallization in a fluidized bed to simulate the enantioseparation process. The performed numerical optimization provides recommendations for experimenters regarding efficient producing particles with predefined characteristics.

Diese Arbeit untersucht Reinigungsverfahren von chemischen Verbindungen, die Enantiomere genannt werden, unter der Verwendung einer fortschrittlichen Technik der kinetisch kontrollierten Kristallisation in Wirbelschichten. Dabei konzentriert sich die Arbeit auf die folgenden drei Aspekte: Die Analyse des Kristallisationsprozesses, dessen Modellierung und die anschließende Anwendung des entwickelten Modells zur Optimierung des Prozesses. In aller Regel sind Partikel nicht einheitlich und deren verschiedene Eigenschaften, wie Größe, Form und die innere Zusammensetzung verteilen sich auf die gesamte Partikelpopulation. Die Verteilung dieser Eigenschaften kann erhebliche Auswirkungen auf die gesamte Prozessleistung haben. Eine Modellierung von Kristallisationsprozessen in einer vereinfachten Weise, wie z.B. zur bloßen thermodynamischen Berechnung der Ausbeute, liefert keine aussagenkräftigen Informationen über Details der Entwicklung im System. Populationsbilanzen in Verbindung mit kinetischen Ausdrücken werden in diese Arbeit verwendet, um ein Modell zu konstruieren und die Kristallgröß enverteilungen vorherzusagen. Das entwickelte eindimensionale Modell beschreibt die Wechselwirkung zwischen Kristallwachstum, Partikeltransport und einer nicht isothermen Strömungsdynamik. Im Gegensatz zu früheren Studien und Arbeiten unterscheiden die Modellgleichungen zwischen dem Ziel- und dem Gegenenantiomer. So können die Produktivität des Prozesses und die Reinheit des Produktes bewertet werden. Entsprechend den Versuchsbedingungen wird die periodische Kristallentnahme in Abhängigkeit der Wirbelschichthöhe durchgeführt. Die Laborergebnisse der in einer parall durchgeführten Doktorarbeit ermöglichen eine Modellvalidierung unter Verwendung einer razemischen Mischung aus L-Asparagin-Monohydrat und Wasser als Lösungsmittel. Basierend auf der quantitativen Übereinstimmung zwischen den Labor- und Simulationsergebnissen werden daraus allgemeine Schlussfolgerungen abgeleitet, um das signifikante Potenzial des Modells zu bestätigen. Die Relevanz der Modellparameter wird durch eine lokale Sensitivitätsanalyse untersucht. Um die Einflüsse der verschiedenen Parameter zu bewerten, wird eine normierte Sensitivitätsfunktion verwendet. Anhand der Ergebnisse der Sensitivitätsstudie wird eine modellbasierte Prozessoptimierung zur Verbesserung der Prozesseffizienz durchgeführt. Die stationäre Optimierung, unter Berücksichtigung der bestehenden Restriktionen, ermöglicht es Form und Abmessung der Apparaturen sowie den Betriebsbedingungen, basierend auf den erreichbaren Bereichen, festzulegen. Es wird gezeigt, dass der vorgeschlagene optimale Entwurf des Aufbaus der Kristallisationsgefäße die Produktivität erhöht und darüber hinaus Verunreinigungen im Endprodukt verhindert. Diese Dissertation demonstriert die Anwendbarkeit des entwickelten Modells des ausgewählten Kristallisationprozesses in einer Wirbelschicht, um den Enantioseparationsprozess mit ausreichender Genauigkeit zu simulieren. Die durchgeführte numerische Optimierung ermöglicht es, Empfehlungen zu den Parametern der Apparate sowie den Betriebsparametern zu formulieren, um die Gewinnung von Partikeln mit bestimmten Eigenschaften sicherzustellen.