Microscopic and macroscopic investigations of the transient hydrodynamic memory behavior of chromatographic columns
Biological Process Engineering
Final Report Abstract
Ziel des Forschungsvorhabens waren Untersuchungen zum instationären hydrodynamischen Verhalten von Chromatographiesäulen sowie die Entwicklung eines aussagekräftigen Simulationsmodells, mit dem das hydrodynamische Verhalten detailliert abgebildet werden kann. Dazu wurde eine neuartige Mikrochromatographiesäule entwickelt, die es erstmalig ermöglichte, die Chromatographiepackung sowohl im stationären Betrieb als auch unter dynamischer mechanischer oder hydrodynamischer Belastung zu vermessen. Ferner wurden geeignete Messmethoden entwickelt und getestet, mit denen das hydrodynamische Packungsverhalten makroskopisch und mikroskopisch mit hoher lokaler Auflösung untersucht werden konnte. Ein neuartiger, deterministischer, dreidimensionaler Modellansatz einer Chromatographiesäule wurde entwickelt, mit dem erstmalig detaillierte hydrodynamische Untersuchungen in-silico durchgeführt werden konnten. Basis dieses Modellansatzes war die Kopplung von Computational Fluid Dynamics und der Diskrete Elemente Methode, die es erlaubt die Chromatographiepackung auf der Partikelebene zu beschreiben und die Interaktionen zwischen den einzelnen Partikeln sowie zwischen den Partikeln und der Säulenwand als Funktion der Fluidströmung zu berücksichtigen. Durch hochauflösende Messung des Kompressions- und Relaxationsverhaltens von Einzelpartikeln konnten die für das Modell relevanten mechanischen Partikeleigenschaften bestimmt werden. Unter Benutzung des hinreichend parametrisierten Modells wurde eine Chromatographiesäule bei hydrodynamischer und mechanischer Belastung in verschiedenen Laborexperimenten und in-silico untersucht. Dabei konnten die in Laborexperimenten gemessene Druckverlustcharakteristik, die Packungskompression und die axialen Packungskompressionsprofile mit großer Genauigkeit vom Modell reproduziert werden. Es stellte sich heraus, dass hydrodynamische und mechanische Belastung zu inversen Packungskompressionsprofilen führte, welche durch den Wandeinfluss der Säule begründbar sind. Unter hydrodynamischer Last wurde ein in Flussrichtung linear ansteigendes Packungskompressionsprofil mit höchster Kompression im Ausgangsbereich der Säule und unter mechanischer Belastung ein in Kompressionsrichtung exponentiell abfallendes Packungskompressionsprofil mit höchster Kompression im Eingangsbereich direkt unterhalb des Säulenadapters detektiert. Die Untersuchungen zeigten ferner, dass die Kompression der Packung in beiden Fällen zu einer inhomogenen Kraftverteilung innerhalb der Packung führte, welche in einem ausgeprägten Kraftkettennetzwerk resultierte. Die Partikel innerhalb dieses Netzwerkes wiesen dabei hohe Belastungen auf. Mit Hilfe des Modells konnte begründet werden, dass eine inhomogene Kraftverteilung innerhalb der Packung zu Dichteoszillationen von stark belasteten Bereichen entlang der Säulenachse führt, welche zudem Partikelmigration und das Ausbilden von Flusskanälen begünstigen kann. Ferner wurde gezeigt, dass sich die inhomogene Kraftverteilung negativ auf die Performance der Säule auswirken kann, da zum einen die Langzeitstabilität der Packung unter zyklischer Belastung herabgesetzt wird und zum anderen auch die Strömungsverteilung inhomogen ist. Durch eine geeignete Kombination von hydrodynamischer und mechanischer Kompression beim Packen der Säulen konnte die Kompressionskraft homogener in die Packung eingetragen werden, was sich in einer erhöhten hydrodynamischen Langzeitstabilität der Packung und einer homogeneren Strömungsverteilung innerhalb der Säule äußerte. Das Ziel des Forschungsvorhabens konnte erfolgreich erreicht werden. Unter Anwendung von CFD und DEM konnte ein leistungsfähiges Simulationswerkzeug entwickelt werden, welches großes Potential für die industrielle Praxis bietet. Durch den mechanistischen Modellansatz ist erstmalig die Berücksichtigung von Parametern wie der mechanischen Partikelbelastung möglich, die bislang experimentell unzugänglich waren, jedoch von hoher Relevanz für den Betrieb chromatographischer Anlagen sind. Mit den aus dem Forschungsvorhaben resultierenden Ergebnissen konnten zudem Antworten auf wichtige Fragen bezüglich hydrodynamischer Effekte gefunden werden, die im praktischen Betrieb von Chromatographieanlagen beobachtet werden.
Publications
- (2015): Modelling-based analysis of the hydrodynamic behaviour of preparative chromatography columns. Biopartitioning and Purification Conference (BPP), Wien, Österreich, 07.-10.06.2015
Dorn M
- (2016): Modelling-based analysis of the hydrodynamic behaviour of preparative chromatography columns. European Symposium of Biochemical Engineering Sciences (ESBES), Dublin, Ireland, 11.- 14.09.2016
Dorn M
- (2016): Modelling-based analysis of the hydrodynamic behaviour of preparative chromatography columns. Industrial Biotechnology Forum (IBF), Garching, 14.-15.03.2016
Dorn M
- (2016): Simulation of the dynamic packing behavior of preparative chromatography columns via discrete particle modeling. Biotechnol. Prog. 32: 363-371
Dorn M, Hekmat D
(See online at https://doi.org/10.1002/btpr.2210) - (2016): The hydrodynamic behavior of preparative chromatography columns is revealed by discrete particle modelling. Recovery of Biological Products (RVII), Bermuda, 19.-24.06.2016
Dorn M
- (2017): Influence of different packing methods on the hydrodynamic stability of chromatography columns. J. Chromatogr. A 1516: 89-101
Dorn M, Eschbach F, Hekmat D, Weuster-Botz D
(See online at https://doi.org/10.1016/j.chroma.2017.08.019) - (2017): Mechanical characterization of compressible chromatographic particles. Powder Technol. 320: 213-222
Dorn M, Schilde C, Burmeister CF, Hekmat D
(See online at https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.07.043) - (2017): Modeling of axial and radial heterogeneity of preparative chromatography packings. ACS BIOT, San Francisco, USA, 02.-06.04.2017
Dorn M
- (2017): Modeling of the transient hydrodynamic behavior of preparative chromatography columns. Doktorarbeit, Technische Universität München
Dorn, Martin
- (2017): Particle Scale Modeling of the Macroscopic Hydrodynamic Behavior of Preparative Chromatography Beds. DECHEMA Himmelfahrtstagung "Models for Developing and Optimising Biotech Production", Neu Ulm, 22.-24.05.2017
Dorn M
