7,100 research outputs found

    Graduate Catalog of Studies, 2023-2024

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    Hydrodeoxygenation of Lignin-Derived Model Compound for Sustainable Aviation Fuel Production Using Bifunctional Catalysts

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    The development for sustainable and renewable fuels is driven by the current reliance on fossil fuels and a need to reduce contaminant gas emissions and adhere to climate-related regulations. The main challenge for the aviation industry in particular is the transition towards cleaner energy sources. A promising solution is manufacturing hydrocarbons from renewable sources, minimizing the environmental impact and high costs required for alternative green technologies. Lignin is considered as a promising source of materials and biofuels, as it can be transformed through various thermochemical processes to valuable products. To obtain liquid hydrocarbons, lignin needs to undergo pyrolysis, resulting in bio-oil, which requires additional upgrading due to its low heating value, high viscosity, and acidity. Hydrodeoxygenation can be used to remove the oxygen groups, obtaining hydrocarbons compatible with the existing infrastructure. In this study, hydrodeoxygenation of isoeugenol, a lignin-derived model compound, was investigated using various bifunctional catalysts in both batch and continuous reactors. A series of bimetallic platinum-rhenium catalysts supported on mesoporous and activated carbon were studied, with the purpose of revealing the role of both metals for hydrogenation and deoxygenation. The results indicated that a higher rhenium loading resulted in improved activity, providing the oxygen vacancies required for deoxygenation. Further research performed in a continuous reactor allowed high conversion (100%) and deoxygenation level (90%) at 200 ÂșC. For the first time studies simulating industrial catalysts and eventual scaling-up were performed for a lignin-derived model compound in batch and continuous reactors using powders and extrudates, respectively, comprising platinum as the active metal, zeolite beta and a binder. The effects of the binder addition, platinum location, and zeolite acidity were evaluated for the powder catalyst, while the effect of platinum location and reaction temperature was evaluated for the extrudates. The addition of binder resulted in a decrease of surface area, total pore volume, and acidity, additionally, the catalysts containing the more acidic zeolite (H-Beta-25) exhibited better catalytic performance (ca. 80% conversion and over 50% yield of the deoxygenated product) compared to the H-Beta-300. The proximity of platinum to acid sites enhanced considerably catalytic activity, resulting in ca. 20% higher conversion when platinum was deposited on the zeolite rather than only on the binder. The extrudates displayed good stability, with a 10% decrease in catalytic activity after 30 hours of time on stream. Additionally, an effectiveness factor of 0.17 and an apparent activation energy of 14.7 kJ/mol revealed the presence of mass transfer limitations. A high conversion (100%) and a significant yield of deoxygenated products (80%), were obtained at 200 ÂșC.Utvecklingen av hĂ„llbara och förnybara brĂ€nslen drivs av det nuvarande beroendet av fossila brĂ€nslen och av ett behov att minska utslĂ€ppen av förorenande gaser och följa klimatrelaterade bestĂ€mmelser. Den största utmaningen i synnerhet för flygindustrin Ă€r övergĂ„ngen till renare energikĂ€llor. En hoppingivande lösning Ă€r att tillverka kolvĂ€ten frĂ„n förnybara kĂ€llor, vilket minimerar miljöpĂ„verkan och de höga kostnaderna för alternativ grön teknik. Lignin anses vara en lovande kĂ€lla till material och biobrĂ€nslen, eftersom det kan omvandlas till vĂ€rdefulla produkter genom olika termokemiska processer. För att fĂ„ flytande kolvĂ€ten mĂ„ste lignin genomgĂ„ pyrolys, vilket resulterar i bioolja, som i sin tur krĂ€ver ytterligare uppgradering pĂ„ grund av dess lĂ„ga vĂ€rmevĂ€rde, höga viskositet och surhet. Hydrodeoxygenering kan anvĂ€ndas för att avlĂ€gsna syregrupperna och erhĂ„lla kolvĂ€ten som Ă€r kompatibla med den befintliga infrastrukturen. I detta arbete undersöktes hydrodeoxygenering av isoeugenol, en ligninbaserad modellförening, med olika bifunktionella katalysatorer i bĂ„de satsreaktorer och kontinuerliga reaktorer. En serie bimetalliska platina-rhenium-katalysatorer pĂ„ mesoporöst och aktivt kol studerades, i syfte att undersöka de bĂ„da metallernas roll i hydrogenering och i deoxygenering. Det visade sig att en högre rheniumhalt, med större antal syresĂ€ten, resulterade i förbĂ€ttrad deoxygeneringsaktivitet. Det var möjligt att uppnĂ„ full omsĂ€ttningsgrad av isoeugenol med 90% deoxygenering i en kontinuerlig reaktor vid 200 °C. För första gĂ„ngen utfördes studier med industriellt efterliknande katalysatorer, bĂ„de i pulverform och i extrudatform med platina som den aktiva metallen, zeolitbeta som bĂ€rarmaterial samt ett bindemedel. Studierna innehöll dessutom eventuell uppskalning för en ligninbaserad modellförening i satsreaktorer och kontinuerliga reaktorer. Effekterna av bindemedelstillsatsen, platinaplaceringen och zeolitens surhet utvĂ€rderades för pulverkatalysatorn, medan effekterna av platinaplaceringen och reaktionstemperaturen studerades för extrudaten. Tillsatsen av bindemedel resulterade i en förminskad ytarea, total porvolym och surhet. Det visade sig att katalysatorerna som innehöll den mer sura zeoliten (H-Beta-25) hade bĂ€ttre katalytisk prestanda (ca 80% omsĂ€ttningsgrad och över 50% utbyte av den deoxygenerade produkten) jĂ€mfört med andra zeoliter. Placeringen av platina pĂ„verkade de katalytiska resultaten. Det pĂ„visades att platina belĂ€get nĂ€ra surasĂ€ten förbĂ€ttrade aktiviteten med ca 20% jĂ€mfört med platina deponerat pĂ„ bindemedlet. Extrudaten visade god stabilitet, med bara 10% minskning av katalytisk aktivitet efter 30 timmars drift. MassöverföringsbegrĂ€nsningar pĂ„visades av en effektivitetsfaktor pĂ„ 0,17 och en aktiveringsenergi pĂ„ 14,7 kJ/mol. En hög omsĂ€ttningsgrad (100%) och ett betydande utbyte av deoxygenerade produkter (80%) erhölls vid 200 ÂșC med de industriellt efterliknande katalysatorerna

    Graduate Catalog of Studies, 2023-2024

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    Non-invasive and non-intrusive diagnostic techniques for gas-solid fluidized beds – A review

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    Gas-solid fluidized-bed systems offer great advantages in terms of chemical reaction efficiency and temperature control where other chemical reactor designs fall short. For this reason, they have been widely employed in a range of industrial application where these properties are essential. Nonetheless, the knowledge of such systems and the corresponding design choices, in most cases, rely on a heuristic expertise gained over the years rather than on a deep physical understanding of the phenomena taking place in fluidized beds. This is a huge limiting factor when it comes to the design, the scale-up and the optimization of such complex units. Fortunately, a wide array of diagnostic techniques has enabled researchers to strive in this direction, and, among these, non-invasive and non-intrusive diagnostic techniques stand out thanks to their innate feature of not affecting the flow field, while also avoiding direct contact with the medium under study. This work offers an overview of the non-invasive and non-intrusive diagnostic techniques most commonly applied to fluidized-bed systems, highlighting their capabilities in terms of the quantities they can measure, as well as advantages and limitations of each of them. The latest developments and the likely future trends are also presented. Neither of these methodologies represents a best option on all fronts. The goal of this work is rather to highlight what each technique has to offer and what application are they better suited for

    Performance characterisation and design considerations for a domestic ammonia/salt resorption heat pump

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    Heat pumps will play a key role in the future provision of low carbon domestic heating and the re-use of industrial waste heat. Adsorption cycle heat pumps are advantageous in that they can use the existing natural gas network to avoid electricity supply limitations across the UK. A 2 kW domestic-scale ammonia/salt heat pump demonstrator is currently being tested at the University of Warwick as a replacement for a conventional condensing gas boiler. This paper describes analysis work in support of this testing which will lead to design refinements in follow-on developments. A Matlab-based 2D transient simulation package was developed to study heat transfer and reaction rate within a pair of linked reactors. Heat conduction and sorption rate are modelled together with inter-reactor gas flows and parasitic heat loss. Novel features include the use of Matlab's linked ODE solvers for convergence (ODE15S was found to be fastest) and the script file input configuration which combines clear visibility of parameters with the ability to run multiple simulations to show the effect of parametric variations. The code facilitates rapid design optimisation. Eleven cycle parameters have been investigated, including filling pressure, heat transfer coefficients, salt ratio, source temperatures, void space and heat capacity. The choice of cycle period involves a compromise between coefficient of performance and power output. A water/glycol heat transfer fluid gives better COP and output power than thermal oil. Insulation within the reactor shell has the potential to limit shell transient heat exchange but void space effects are likely to be more significant. The heat capacity of fluid in pipes and manifolds should be minimised. COP = 1.31 is achieved at 45 °C delivery; 60 °C for hot water is possible but with lower COP. The best results for space heating are obtained with source temperatures above -5 °C

    Exploiting the potential of chemical looping processes for industrial decarbonization and waste to energy conversion. Process design and experimental evaluations

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    The impact of anthropogenic activities on the environment is leading to climate changes and exceptional meteorological phenomena all over the world. To address this negative trend, the scientific community agrees that the environmental impact from fossil fuels-based power production must be mitigated by the integration with alternative and sustainable technologies, such as renewable energy. However, the time required for the complete development and diffusion of such technology poses the urgency of finding a midterm solution to significantly reduce CO2 emissions. Carbon capture, utilization, and storage (CCUS) technologies represent an interesting option to mitigate CO2 emissions. CCUS involves (among other possible applications) the separation of the CO2 content from industrial off-gases, its transport and storage or its reconversion to a chemical/fuel. Chemical looping can be considered as an oxyfuel combustion where the oxygen supply comes from the lattice oxygen atoms of a solid. It is based on gas-solid reactions where a solid also known as oxygen carrier, generally a metal oxide, undergoes successive reduction and oxidation steps. In the reduction step, normally occurring at high temperatures (700-1000 °C), the oxygen carrier interacts with a reducing agent, such as coal, natural gas, syngas etc. and loses part of its oxygen atoms. By controlling the degree of reduction of the oxygen carrier is thus possible to achieve a complete oxidation of the reducing agent (the fuel) to CO2 and H2O (chemical looping combustion) or a partial oxidation to a syngas (chemical looping reforming and gasification). In these latter case, the introduction of external CO2 and H2O can be of help to support the reforming or gasification processes. The oxygen carrier in the reduced phase is then sent to an air reactor, where it reacquires the oxygen atoms by an exothermic reaction with air. This process presents several advantages according to the specific application. In chemical looping combustion, intrinsic separation of N2 and CO2 is achieved, because the two streams are involved in two different reaction steps. This largely simplifies the CO2 separation effort for storage or utilization purposes. On the other hand, in chemical looping reforming it is possible to achieve autothermal operation thanks to the exothermicity of the oxidation step in the air reactor, as well as high reforming efficiencies. Similarly, in chemical looping gasification the resulting syngas is characterized by no N2 dilution, lower tar release and possibility of autothermal operation. These benefits enhance the energy efficiency of the process, leading to a better energy utilisation. In this work, strategies for the decarbonisation and circularity of the industrial and power sector are proposed based on the synthesis of hydrogen and hydrogen-derived fuels. In particular, the potential of chemical looping technology is deeply studied aiming at exploiting its ability to reconvert or valorise CO2 or waste streams to a syngas and then to a liquid fuel/chemical, such as methanol or ammonia. This task is carried out through modelling and experimental evaluations. The modelling activities mainly concern design of process schemes involving the chemical looping section for waste or CO2 reconversion and the liquid fuel synthesis section. The experimental evaluations are focused on two crucial that have been limitedly discussed in the literature: the thermochemical syngas production step by oxidation with CO2 and H2O streams, the effect of high-pressure operation on the redox abilities of a typical iron and nickel-based oxygen carrier. In Chapter 1, a general overview on the main research developments on chemical looping technology is provided. A section is reserved for each chemical looping variant, i.e. combustion, reforming and gasification, and a general description of each process is provided along with the summary of the main research achievements. Subsequently, the technology is divided by application in power production and chemicals production. Main findings from techno-economic assessment and process designs are discussed in comparison with benchmark technologies and other clean pathways. In Chapter 2 steel mills are taken as an example of the hard-to-abate industry. A H2-based decarbonization strategy is proposed and assessed by Aspen Plus simulation. The strategy starts from an initial configuration that is characterized by a typical blast furnace-basic oxygen furnace steel mill and consider the introduction of direct reduction – electric arc furnace lines, that are more efficient and involve natural gas as reducing agent rather than coke. Sensitivity analyses are carried out to assess the effect of the introduction of H2/CH4 blendings in the direct reduction plant and of the utilization of scrap material in the electric arc furnace. The impact of each configuration on the CO2 emissions and the energy flows of the plant is assessed by mass and energy balances. The results indicate a promising decarbonization potential of the introduced technologies but require large investments to increase the renewable sources penetration in the energy mix and large availability of H2. Therefore, alternative pathways for an earlier decarbonization of hard-to-abate industries and for large scale syngas/H2 production need to be considered. In Chapter 3, a novel process scheme is proposed involving chemical looping for syngas production. The CO2 content in blast furnace gases is separated with a calcium looping cycle and subsequently injected with H2O into the oxidation reactor of a chemical looping cycle. Assuming an inlet stream of pure CO2, mass balances on the chemical looping plant are carried out to compare the performance of nickel ferrites and iron oxides in terms of required oxygen carrier flow rate to process 1 t/h of CO2. Computational fluid dynamics simulations with integrated reaction kinetics are then carried out to validate the assumptions on the oxygen carrier conversion and syngas compositions. In Chapter 4 and 5, experimental evaluations are carried out on two crucial aspects for the successful operation of a chemical looping plant aiming at syngas production. In Chapter 4, the syngas productivity by CO2 and H2O splitting over a Fe bed is investigated. This is a very important step, and the effect of various parameters was considered. Firstly, the CO2 splitting is analysed for different temperatures with an inlet flow rate of 1 NL/min to ensure a substantial dissociation of the CO2. Subsequently, combined streams of CO2 and H2O are evolved in the reactor. The effect of the total flow rate, reactants molar ratio and bed height is investigated and from the results, the optimal syngas composition is identified. SEM and XRD are used to assess the morphological evolution and the phase changes of the material during the test. On the contrary, in Chapter 5 the effect of high-pressure operation on the redox abilities of two NiFe aluminates is assessed. The aluminates present similar Fe loadings, but different Ni loadings. High pressure operation is crucial for the development of this technology because it facilitates downstream processing of the syngas to liquid fuels. For a comparative analysis, preliminary tests at low pressure are carried out at three temperatures. Subsequently, the effect of reactants flow rate, temperature, total pressure, gas composition is analysed at high pressure conditions. Finally, long term tests are performed both at ambient and high-pressure conditions. Material characterization by SEM, XRD and H2-TPR is used to support the comparative analysis. In Chapter 6, a techno-economic analysis on a process scheme encompassing methanol and ammonia production from chemical looping gases is carried out. Chemical looping hydrogen production is a very versatile technology and allows for the combined production of power and H2 or syngas. With proper calibration of the flow rates, a stream of high purity N2 can also be obtained at the air reactor outlet and used for ammonia synthesis. Back up with an alkaline electrolyser is considered for the supply of the required amount of hydrogen. Sensitivity analyses are carried out on the chemical looping plant to evaluate the effect of fuel flow rate, steam flow rate, and oxygen carrier inlet temperature to the fuel reactor. Subsequently, a techno-economic analysis is carried out evaluating several parameters among which: the specific CO2 emissions, the energy intensity, and the levelized cost of methanol and ammonia. Finally, a comparison with benchmark technologies and other clean alternatives is presented. In this way, the benefits as well as the drawbacks of chemical looping in terms of environmental and economic parameters are assessed and the missing elements to reach industrial competitivity are clarified

    Solid–Gas Thermochemical Energy Storage Materials and Reactors for Low to High-Temperature Applications: A Concise Review

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    Thermochemical energy storage materials and reactors have been reviewed for a range of temperature applications. For low-temperature applications, magnesium chloride is found to be a suitable candidate at temperatures up to 100 °C, whereas calcium hydroxide is identified to be appropriate for medium-temperature storage applications, ranging from 400 °C up to 650 °C. For the high-temperature range (750–1050 °C), oxides of cobalt, manganese, and copper are found to have the redox behaviour required for thermochemical heat storage. However, some of these materials suffer from low thermal conductivities, agglomeration, and low cyclability and, therefore, require further improvements. The concept of enhancing thermal conductivities through additives such as nanomaterials has been encouraging. From an operational point of view, fluidized-bed reactors perform better than fixed- and moving-bed reactors due to better particle interactions. There is, however, a need for the reaction bed to be further developed toward achieving optimum heat and mass transfers. Agitated fluidized-bed reactors have shown encouraging results and are suggested for further exploration. A combination of appropriate computational tools can facilitate an in-depth understanding of bed dynamics

    Membrane chromatography - high throughput screening and simulative process develoopment

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    Die in dieser Dissertation durchgefĂŒhrten Untersuchungen liefern einen Beitrag im Bereich der biopharmazeutischen Prozessentwicklung und Produktion, im Speziellen fĂŒr die chromatographische Aufreinigung. Bedingt durch die weltweite SARS-CoV-2 Pandemie stand die biopharmazeutische Industrie im Mittelpunkt des Medieninteresses. Dies fĂŒhrte zu einer öffentlichen Diskussion der Entwicklung und Herstellung von biopharmazeutischen Produkten. Aufgrund des dringlich benötigten Impfstoffes sind auch die benötigten Prozessentwicklungszeiten dieses erörtert worden. Die schnelle Bereitstellung eines wirksamen Arzneimittels bzw. Impfstoffes unter Einhaltung der behördlichen Anforderungen erfordert eine modernisierte und effizientere Entwicklung. Hierbei birgt eine einseitige Fokussierung auf die reine Reduktion der Entwicklungszeit eines Prozesses jedoch Nachteile und Risiken. Die Effizienzsteigerungspotentiale ergeben sich vor allem aus Wissensmanagement bei der Übertragung von bekannten Prozessentwicklungen wodurch Neuentwicklungen durch vorhandenes Wissen beschleunigt werden können. Des Weiteren besteht das Risiko bei eine reinen Zeitfokussierung, dass neuer/alternativer Herstellungsverfahren vernachlĂ€ssigt werden und die langfristige WettbewerbsfĂ€higkeit nicht gegeben ist. Im Allgemeinen ist der pharmazeutische Aufreinigungsprozess in den vorgelagerten Upstream- (USP) und den daran angeschlossenen Downstream Prozess (DSP) unterteilt. Der USP verfolgt den optimalen Zellklon bzw. die optimalen Zellproduktionsbedingungen, wodurch eine stabile und hohe ProduktivitĂ€t erreicht wird. Im Gegensatz konzentriert sich das DSP auf die Produkt- und die Verunreinigungsprofile mit dem Ziel, eine hohe Reinheit und Ausbeute des Produktes zu erhalten. Aufgrund des hohen Standardisierungsgrades und der verfĂŒgbaren Informationen eignet sich die Herstellung von monoklonalen Antikörpern als Beispiel fĂŒr einen Plattformprozess. Dieser Prozess umfasst im UPS die Vorbereitung von Kulturen und Zellen sowie die Herstellung des Wirkstoffes in einem Fermenter. Anschließend erfolgt die Aufreinigung des Produktes im DSP durch die Zellabtrennung, zwei bis drei Chromatographieschritte, Virusinaktivierung und einen eventuellen Pufferaustausch. Dem angeschlossen folgt die Virus- und Sterilfiltration in Vorbereitung auf die AbfĂŒllung. Das derzeitige Verfahren in der chromatographischen Prozessentwicklung ermöglicht den Maßstabstransfer vom Labor zur Produktion durch verschiedene AnsĂ€tze. Diese AnsĂ€tze beruhen auf experimentellen Informationen, Expertenwissen sowie mechanistischer und/oder statistischer Modellierung. Die Prozessentwicklung gliedert sich in eine erste statische Untersuchung, eine detailliertere dynamische Leistungsuntersuchung und Experimente. Das grundsĂ€tzliche Ziel ist eine erfolgreiche ErgebnisĂŒbertragung in den Produktionsmaßstab. In frĂŒhen Entwicklungsstadien stehen der Prozessentwicklung meist nur sehr geringe Mengen des potenziellen Wirkstoffes zur VerfĂŒgung. Dementsprechend werden die statischen Untersuchungen entweder manuell oder durch robotergestĂŒtzte Pipettierschritte im Kleinstmaßstab durchgefĂŒhrt. Dem angeschlossen werden in Performance-Untersuchungen die ersten dynamischen Effekte ermittelt, typischerweise in automatisierten RobotersĂ€ulen im Mikrolitermaßstab. Bei ausreichender VerfĂŒgbarkeit werden detaillierte Experimente im Milliliter-Maßstab mit FlĂŒssigchromatographie-Systemen im Labormaßstab durchgefĂŒhrt. Die Laborsysteme weisen bereits einen mit der Produktion vergleichbaren Automatisierungsgrad auf. Dementsprechend bieten die detaillierten Experimente in der Regel die Grundlage fĂŒr den Transfer in den Pilot- oder Produktionsmaßstab. In aktuellen Studien wird der Entwicklungsprozess hĂ€ufig durch mechanistische Modellierung (MM) unterstĂŒtzt. Das Ziel dieser Arbeiten ist eine theoretische ReprĂ€sentation des betrachteten Schrittes unter Bildung eines digitalen Zwillings. MM bietet die Möglichkeit, zusĂ€tzliche Informationen ĂŒber Eingangsstoffe, stationĂ€re Phasen, GerĂ€te und ProzessfĂŒhrungen zu generieren. Auf diese Weise könnte MM die heute bekannten ProzessentwicklungsansĂ€tze miteinander verbinden, zusammenfassen und eine lebende Prozessbibliothek schaffen. Eine solche Bibliothek könnte das Wissen aus verschiedenen Prozessen bĂŒndeln und auf neue Fragestellung ĂŒbertragen. Durch eine solche Transferleistung wĂŒrden sich Zeit- und Kostenaufwand reduzieren. Die Entwicklung einer lebendigen Prozessbibliothek erfordert gleiche UntersuchungsansĂ€tze fĂŒr alle stationĂ€ren Phasen. Aufgrund der historischen Entwicklung besteht ein Ungleichgewicht zwischen partikulĂ€ren/harzbasierter basiert Chromatographie und anderen stationĂ€ren Phasen. Diese zumeist relativ neuen stationĂ€ren Phasen werden nur selten fĂŒr neue experimentelle Aufbauten, ProzessfĂŒhrungen und mechanistischen ModellierungsansĂ€tzen diskutiert. In der vorliegenden Arbeit wird ein monoklonaler Antikörper-Aufreinigungsprozess zur Aggregatabtrennung untersucht. Hierbei wird zunĂ€chst die Angleichung der Prozessentwicklungsmethoden zwischen diffusiven harzbasierten- und konvektiven Membranadsorbern (MA) als stationĂ€re Phasen angestrebt. DafĂŒr wird zunĂ€chst ein Aufbau fĂŒr ein Hochdurchsatz-Screening entwickelt und mittels mechanistischer Modellierung die Ausarbeitung eines digitalen Zwillings angestrebt. In vier maßgeblichen Fallstudien werden die unterschiedlichen ProzessentwicklungsansĂ€tze fĂŒr konvektive stationĂ€re Phasen an jene der partikulĂ€ren Chromatographie angeglichen. Hierbei werden folgende Bereiche untersucht: Bestimmung des Prozessparameterbereichs, Einbeziehung neuer ProzessfĂŒhrungen, Vergleichbarkeit unterschiedlicher stationĂ€rer Phasen und Skalierbarkeit. FĂŒr die Untersuchung konvektiver stationĂ€rer Phasen wie MA, welche typischerweise einen hohen Stofftransport und geringen Druckverlust im Modul aufweisen, wurde ein HTS Modul im Kleinstmaßstab fĂŒr eine skalierbare Prozessentwicklung entwickelt. Die Untersuchung fokussierte sich auf die Entfernung von Aggregaten aus einer fermentierten monoklonalen Antikörperlösung. Die erste Fallstudie untersucht die experimentelle Anwendung des entwickelten HTS-Aufbaus und -Moduls. Hierbei werden der klassische Bindungs- und Elutionsmodus unter Variation des pH-Wertes und der Salzkonzentration angewendet. Dadurch lassen sich die Prozessfenster fĂŒr die untersuchten Ionenaustausch-MA SartobindÂź S und Q ermitteln. Des Weiteren wird mit Hilfe mechanistischer Modellbildung ein digitaler Zwilling erarbeitet. Die erhaltenen Ergebnisse bestĂ€tigen den erfolgreichen HTS-Aufbau und den entwickelten digitalen Zwilling. Im Ergebnisvergleich mit einer flĂŒssigchromatographiebasierten Systemauftrennung zeigte der digitale Zwilling eine SignalĂŒbereinstimmung von ĂŒber 80%. Des Weiteren wird fĂŒr eine MaßstabsĂŒbertragung eines 0.42 mL Moduls auf ein 800 mL Modul eine Vorhersagegenauigkeit der dynamischen Durchbruchskonzentration von 90 % erzielt. Im Rahmen der Angleichung von konvektiven zu harzbasierten stationĂ€ren Phasen ist in der zweiten Fallstudie die Abbildbarkeit von neuen ProzessfĂŒhrungen untersucht worden. UnterstĂŒtzt durch mechanistische Modellierung wurden zwei verschiedene Trennungen auf kompetitive Adsorption untersucht. Darauf aufbauend wurde ein neuartiges HTS-Screeningmethode entwickelt. Dieses Verfahren ermöglicht die Bestimmung von VerdrĂ€ngungseffekten durch kompetitive Adsorption und liefert SchlĂŒsselgrĂ¶ĂŸen zur Identifizierung dieser. Die Untersuchungsmethode wird Überladungs- und Elutionsverfahren (overload and elute mode, OBE) genannt und ebenfalls in der Aggregatabtrennung mit SartobindÂź S untersucht. Basierend auf der im HTS angewandten OBE-Methode lassen sich sowohl klassische als auch dynamische Effekte bestimmen. Die EinfĂŒhrung des VerdrĂ€ngungsidentifikators (displacement identifier, DI) ermöglicht eine Visualisierung von VerdrĂ€ngungseffekten in einer Prozessparameterkarte. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden die VerdrĂ€ngungseffekte in einem Recyclingexperiment angewendet. Dieses Recyclingexperiment weist durch die Ausnutzung der VerdrĂ€ngungseffekte eine 45 % Reduktion der IgG- und 88 % höher AggregatbindungskapazitĂ€t im Vergleich mit einem einfachen FT-Prozess auf. Die zuvor angefĂŒhrten Arbeiten haben die Unterschiede zwischen harzbasierten und konvektiven stationĂ€ren Phasen reduziert. Dementsprechend erfolgten in der dritten Fallstudie die Untersuchung und der Vergleich von unterschiedlichen stationĂ€ren Phasen. Hierbei wird eine Strategie zur Bewertung verschiedener Kombinationen von stationĂ€ren Phasen, deren GrundgerĂŒsten und Liganden, vorgestellt. Diese Strategie gewĂ€hrleistet fĂŒr die Erstellung einer Lebenden Prozessentwicklungsbibliothek die Untersuchung und Auswahl von passenden stationĂ€ren Phasen. In dieser Fallstudie werden entwickelte Strategien an neuartigen MA behandelt, welche verschiedene chromatographische Effekte kombinieren (Mixed Mode, MiMo). Die Strategie beinhaltet theoretische Überlegungen sowie Untersuchungen der optimalen stationĂ€ren Phasen hinsichtlich ihrer SelektivitĂ€t und BindungskapazitĂ€t. Anhand der theoretischen Überlegungen lĂ€sst sich der experimentelle Raum, die möglichen Kombinationen aus stationĂ€ren Phasen, deren GrundgerĂŒst und Liganden reduzieren. DafĂŒr wird jeder potenzielle MiMo MA Kandidat auf sein Potential zur Reduktion von Aggregaten in einer mAb Lösung untersucht und mit der Leistung der harzbasierten stationĂ€ren Phase Captoℱ Adhere verglichen. Die vorgestellte Strategie reduziert in einem frĂŒhem Untersuchungszeitpunkt die Reduktion von drei auf zwei mögliche stationĂ€re Phasen reduzieren. Unter BerĂŒcksichtigung des untersuchten Einflusses der IonenkapazitĂ€t lĂ€sst sich ein finaler Kandidat ermitteln. Hierbei zeigt der Kandidat eine um 2 bis 3 Membranvolumen höhere BindungskapazitĂ€t als die Referenz Captoℱ Adhere. Unter Verwendung der vorgestellten Strategie und Einbindung in eine Lebende Prozessbibliothek lassen sich zeiteffizient optimale stationĂ€re Phasen identifizieren. Komplettiert wird die Arbeit in der letzten Fallstudie durch eine anwenderorientierte MaßstabsĂŒbertragung mittels mechanistischer Modellierung. Diese Arbeit beschreibt die typischen Modellierungsschritte mit Fokus auf der MaßstabsĂŒbertragung. Hierbei wird in der fluiddynamischen Beschreibung im Speziellen auf die Untersuchung und Optimierung von verschiedenen Modulen und deren MaßstabsĂŒbertragung eingegangen. Abweichend von der klassischen Isothermen-Parameterbestimmung werden historische HTS Daten verwendet, um die Isothermen-Parameter abzuschĂ€tzen. Dieses Vorgehen ermöglich in einem Lebenden Bibliotheksansatz die Inklusion von historischen Daten. Abgeschlossen wird die Fallstudie durch die MaßstabsĂŒbertrag eines axial durchströmten 0,46 mL HTS-Moduls zu einem 150 mL radial durchströmten Modul im Pilotmaßstab. Abschließend liefert diese Arbeit ein Verfahren zur Optimierung der Prozessentwicklung. Die verschiedenen AnsĂ€tze der Prozessentwicklung können in einem Lebenden Bibliothekansatz zusammengefĂŒhrt werden. Dieser Bibliothekansatz umfasst Expertenwissen, Experimente sowie statistische und mechanistische Modellierung. In diesem Bestreben wurden zwischen harzbasierten und konvektiven stationĂ€ren Phasen gleiche Wettbewerbsbedingungen geschaffen. Diese Vergleichbarkeit ermöglicht eine direkte Auswahl der stationĂ€ren Phasen fĂŒr eine bestimmte Trennaufgabe. Die anwenderorientierte MaßstabsĂŒbertragung bietet einen Leitfaden, wie durch mechanistische Modellierung die unterschiedlichen ProzessentwicklungsansĂ€tze zusammengefĂŒhrt werden können. In dieser Arbeit zeigt die mechanistische Modellierung, wie der Prozessentwicklungsprozess abgebildet, transferiert, konserviert und standardisiert werden kann. Dadurch entsteht ein kohĂ€rentes und ĂŒbertragbares Verfahren zur VerfĂŒgung, wodurch die anstehenden Herausforderungen in der Prozessentwicklung ĂŒberwunden werden können

    Surface Reactions of Biomass Derived Oxygenates on Lewis Acidic Metal Oxides

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    Lignocellulosic biomass is currently the only source of organic carbon making it a sustainable source for production of liquid hydrocarbon fuels. One main challenge for valorization of biomass is reducing the oxygen content of the starting feedstock and producing high value chemicals. Using heterogeneous catalysts for conversion of biomass feedstock to commodity chemicals is one strategy for the valorization process. Specifically, using Lewis acidic metal oxides for this upgrading process has shown promise due to its ability to catalyze relevant reactions such as isomerization and (retro-) aldol condensation. This work seeks to elucidate the surface interactions of biomass derived oxygenates with solid Lewis acid sites. This is done using in-situ spectroscopic techniques such as Fourier transformed infrared, nuclear magnetic resonance and ultra-violet spectroscopies. These techniques were applied for studying the following reactions: (i) aldol condensation of ethanol and acetaldehyde over reduced molybdenum oxide; (ii) aldol condensation of acetaldehyde over supported molybdenum oxides; (iii) dehydration and retro-aldol condensation of C4 polyoxygenates using various Lewis acidic metal oxides and (iv) ring opening and esterification of erythrose using various Lewis acidic metal oxides. Surface properties such as Lewis and BrĂžnsted acid site and reducibility of metal center are essential to rationalizing the reaction pathway of the above reactions. The aforementioned studies provide fundamental knowledge regarding how different oxygenates can interact with solid Lewis acid sites.Ph.D

    Development of a Preliminary Design and a One-Dimensional Model for a Direct Contact Heat Exchanger

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    A physics-based, one-dimensional model of a direct contact heat exchanger (DCHX) that is suited for use in a concentrated solar power (CSP) system that is based on a central receiver power tower (CRPT) particle heating receiver (PHR) is created. In the course of the study, CRPT systems were analyzed, including molten salt, water, air, and particulates. There are a variety of alternate designs for the particle-to-fluid heat exchanger (PFHX), which are discussed in this thesis. In this study, more investigation was conducted into the falling particle DCHX and its performance. A one-dimensional model is constructed using equation-solving software to simulate the thermal and fluid behavior of a monodisperse particle-to-fluid direct contact heat exchanger (DCHX). Literature research has been conducted on the available high-temperature materials and alloys, which could be used to manufacture the heat exchanger’s body that operates at extremely high temperatures and moderate pressure. The thermal and fluid dynamical performance is presented, including the total heat transfer coefficient, the temperature and velocity of the one-size particles and the air, and the pressure drop. It was shown that particles with a diameter of 0.6 mm generate much better results than those with 0.3 or 0.9 mm in diameter. According to the parametric experiments' findings, increasing the terminal temperature difference or the particle mass flow rate results in an improvement in the DCHX's thermal performance. Additional parametric tests were conducted to investigate the heat exchanger's performance in various circumstances. Ultimately, a preferred concept is identified and justified.M.S
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