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Development and evaluation of new approaches to modeling of the separations process in simulated moving bed

By Anderson Luis Jeske Bihain

Abstract

O Leito Móvel Simulado (LMS) é um processo de separação de compostos por adsorção muito eficiente, por trabalhar em um regime contínuo e também possuir fluxo contracorrente da fase sólida. Dentre as diversas aplicações, este processo tem se destacado na resolução de petroquímicos e principalmente na atualidade na separação de misturas racêmicas que são separações de um grau elevado de dificuldade. Neste trabalho foram propostas duas novas abordagens na modelagem do LMS, a abordagem Stepwise e a abordagem Front Velocity. Na modelagem Stepwise as colunas cromatográficas do LMS foram modeladas com uma abordagem discreta, onde cada uma delas teve seu domínio dividido em N células de mistura interligadas em série, e as concentrações dos compostos nas fases líquida e sólida foram simuladas usando duas cinéticas de transferência de massa distintas. Essa abordagem pressupõe que as interações decorrentes da transferência de massa entre as moléculas do composto nas suas fases líquida e sólida ocorram somente na superfície, de forma que com essa suposição pode-se admitir que o volume ocupado por cada molécula nas fases sólida e líquida é o mesmo, o que implica que o fator de residência pode ser considerado igual a constante de equilíbrio. Para descrever a transferência de massa que ocorre no processo cromatográfico a abordagem Front Velocity estabelece que a convecção é a fase dominante no transporte de soluto ao longo da coluna cromatográfica. O Front Velocity é um modelo discreto (etapas) em que a vazão determina o avanço da fase líquida ao longo da coluna. As etapas são: avanço da fase líquida e posterior transporte de massa entre as fases líquida e sólida, este último no mesmo intervalo de tempo. Desta forma, o fluxo volumétrico experimental é utilizado para a discretização dos volumes de controle que se deslocam ao longo da coluna porosa com a mesma velocidade da fase líquida. A transferência de massa foi representada por dois mecanismos cinéticos distintos, sem (tipo linear) e com capacidade máxima de adsorção (tipo Langmuir). Ambas as abordagens propostas foram estudadas e avaliadas mediante a comparação com dados experimentais de separação em LMS do anestésico cetamina e, posteriormente, com o fármaco Verapamil. Também foram comparados com as simulações do modelo de equilíbrio dispersivo para o caso da Cetamina, usado por Santos (2004), e para o caso do Verapamil (Perna 2013). Na etapa de caracterização da coluna cromatográfica as novas abordagens foram associadas à ferramenta inversa R2W de forma a determinar os parâmetros globais de transferência de massa apenas usando os tempos experimentais de residência de cada enantiômero na coluna de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Na segunda etapa os modelos cinéticos desenvolvidos nas abordagens foram aplicados nas colunas do LMS com os valores determinados na caracterização da coluna cromatográfica, para a simulação do processo de separação contínua. Os resultados das simulações mostram boa concordância entre as duas abordagens propostas e os experimentos de pulso para a caracterização da coluna na separação enantiomérica da cetamina ao longo do tempo. As simulações da separação em LMS, tanto do Verapamil quando da Cetamina apresentam uma discrepância com os dados experimentais nos primeiros ciclos, entretanto após esses ciclos iniciais a correlação entre os dados experimentais e as simulações. Para o caso da separação da cetamina (Santos, 2004), a qual a concentração da alimentação era relativamente baixa, os modelos foram capazes de predizer o processo de separação com as cinéticas Linear e Langmuir. No caso da separação do Verapamil (Perna, 2013), onde a concentração da alimentação é relativamente alta, somente a cinética de Langmuir representou o processo, devido a cinética Linear não representar a saturação das colunas cromatográficas. De acordo como o estudo conduzido ambas as abordagens propostas mostraram-se ferramentas com potencial na predição do comportamento cromatográfico de uma amostra em um experimento de pulso, assim como na simulação da separação de um composto no LMS, apesar das pequenas discrepâncias apresentadas nos primeiros ciclos de trabalho do LMS. Além disso, podem ser facilmente implementadas e aplicadas na análise do processo, pois requer um baixo número de parâmetros e são constituídas de equações diferenciais ordinárias.Simulated Moving Bed (SMB) is a very efficient process in the compounds separation by adsorption, because works in a continuous regime, and with countercurrent flow of the solid phase. Among different applications, SMB has stood out in the petrochemical products separation and mainly in the separation of racemic compounds, which are separations of a high degree of difficulty. In this work, two new approaches to modeling the LMS process have been proposed, stepwise approach and Front Velocity approach. In the Stepwise approach, each chromatographic column of the SMB, is divided in to N cells connected in series, and the concentrations of compounds in liquid and solid phases were simulated using two different kinetics of mass transfer. This approach assumes that the interactions resulting from the mass transfer between the molecules of the compound in its liquid and solid phases occur only on the surface. So that with this assumption the volume occupied by each molecule in the solid and liquid phases is the same, implying that the factor of residence is equal to the equilibrium constant. To describe the mass transfer that occurs in the Chromatographic process, the Front Velocity approach considers that the convection is the dominant phase in the solute transport along the chromatographic column. The "Front Velocity" is a discrete model (steps) where the flow rate determines the liquid phase advance along the column. The steps are: advancing liquid phase and subsequent mass transfer between the liquid and solid phases, the latter in the same time interval. Thus, the experimental volumetric flow is used for the discretization of the control volume moving along the porous column with the same velocity of the liquid phase. The mass transfer was represented by two distinct kinetic mechanisms without (linear type) and with maximum adsorption capacity (Langmuir type). Both proposed approaches were studied and evaluated by comparison with experimental data separation LMS of the anesthetic ketamine and subsequently with the drug Verapamil. Were also compared with the simulations of dispersive equilibrium model for the case of ketamine used by Santos (2004) and the simulations of the software Help for the case of Verapamil (Perna 2013). In the chromatographic column characterization step, the new approaches have been associated with inverse R2W tool to determine the global mass transfer parameters using only the experimental residence times of each enantiomer in the high performance liquid chromatography (HPLC) column. In the second step, the kinetic models developed in both approaches were applied to the columns of the LMS with the values determined in the characterization of the chromatographic column step, for the simulation of continuous separation process. The simulation results show good agreement between the two proposed approaches and pulse experiments to characterize the column in the enantiomeric separation of ketamine over time. In the simulation of the SMB process, when the approaches admit one kinetic mechanism of the Langmuir type showed good agreement with the results obtained from the dispersive equilibrium model, it is a classical tool for the simulation of this process. While using a kinetic linear mechanism the results is more similar to the experimental data. According to the study conducted, both the proposed approaches were shown to be potential tools to predict the chromatographic behavior of a sample in a test pulse, as well as the simulation of separation of a compound in SMB process despite minor discrepancies presented in the first work cycles of the SMB. Moreover, the approaches can be easily programed and applied in the analysis of the process, because it requires a low number of parameters and consist of ordinary differential equations

Topics: Leito móvel simulado, Problema inverso, Modelagem de separação de biotecnológicos, Simulação numérica, Adsorção, Análise cromatográfica, MATEMATICA APLICADA, Simulated moving bed, Inverse problems, Modeling of purification operations in biotechnology, Numerical simulation, MATEMATICA APLICADA
Publisher: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Year: 2014
OAI identifier: oai:agregador.ibict.br.BDTD_UERJ:oai:www.bdtd.uerj.br:4201
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