Advanced

Evaluation and development of strategies for pooling in preparative chromatography

Persson, Michael LU (2015) KET920 20151
Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
Abstract
Computer simulation and modelling was used to simulate a real time environment in preparative chromatography to evaluate the performance of three different strategies for pooling control for different levels of robustness. The pooling problem was based around a separation case where three different insulin species were to be separated while disturbances to the modulators potassium chloride, ethanol and sample load could be imposed on the system. The simulation was created with the assumption that the only measurement available would be the UV absorbance at the process outlet. The first strategy implemented was a time based method where the cut points were determined by offline optimization and would then be static. The second strategy... (More)
Computer simulation and modelling was used to simulate a real time environment in preparative chromatography to evaluate the performance of three different strategies for pooling control for different levels of robustness. The pooling problem was based around a separation case where three different insulin species were to be separated while disturbances to the modulators potassium chloride, ethanol and sample load could be imposed on the system. The simulation was created with the assumption that the only measurement available would be the UV absorbance at the process outlet. The first strategy implemented was a time based method where the cut points were determined by offline optimization and would then be static. The second strategy started with offline optimization which was used to determine the UV absorbance measurement at the optimal cut points, these UV absorbances were then used to determine cut placement in real time simulation. The last strategy was a predictive method which made estimations of the concentration profiles in the column based on the gathered measurements and subsequently used these estimations to continuously make new optimized pooling decisions in the real time simulation. The parameters investigated for the evaluation of the performance were the process yield, purity and number of batch failures due to unmet purity requirements. The time based strategy showed the best performance when only load disturbances were present and the prediction based strategy showed the best performance when only disturbances to the modulators were present. The UV based strategy had a large percentage of batch failures for all disturbance cases, the strategy only had moderate success at the highest levels of robustness used in this thesis. Results also indicate that the type of disturbance distribution used could play a part in which strategy shows the best performance. The predictive strategy fared better in cases where latin hypercube sampling was used for the disturbance distribution while the time based strategy showed better performance for a normal random disturbance distribution. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
I detta examensarbete undersöktes olika strategier för att kontrollera upptag av produkter från kromatografisk separation. Prestandan för dessa strategier jämfördes även med en nyutvecklad strategi vars kontrollbeslut baserades på förutsägelser.
Att utveckla nya läkemedel är en kostsam process samtidigt som bara 15-30% av de produkter som utvecklas blir godkända för lansering. Detta medför höga krav på att resten av produktionskedjan är kostnadseffektiv. På grund av höga krav på kvalitét och renhet så står rening för en stor del av kostnaderna i läkemedelsproduktion. En av de mest använda metoderna för rening av läkemedel är kromatografisk separation.
Kromotografi används i syfte att separera olika ämnen i en lösning från varandra och... (More)
I detta examensarbete undersöktes olika strategier för att kontrollera upptag av produkter från kromatografisk separation. Prestandan för dessa strategier jämfördes även med en nyutvecklad strategi vars kontrollbeslut baserades på förutsägelser.
Att utveckla nya läkemedel är en kostsam process samtidigt som bara 15-30% av de produkter som utvecklas blir godkända för lansering. Detta medför höga krav på att resten av produktionskedjan är kostnadseffektiv. På grund av höga krav på kvalitét och renhet så står rening för en stor del av kostnaderna i läkemedelsproduktion. En av de mest använda metoderna för rening av läkemedel är kromatografisk separation.
Kromotografi används i syfte att separera olika ämnen i en lösning från varandra och processen skulle kunna liknas vid att anordna ett lopp mellan löpare, cyklister och bilister på olika banor. Om banan är en motorväg så kan det väntas att alla bilister kommer i mål först följt av alla cyklister och sen alla löpare sist. Är det en väldigt kort bana så kommer inte bilisterna hinna få så stort försprång och vissa bilar kanske till och med kommer i mål efter några av löparna. Om banan däremot är lång kommer uppdelningen däremot bli väldigt tydlig. Det är denna typ av uppdelning man vill uppnå i en kromatografisk process. Om olika ämnen generellt kommer i mål vid olika tider så kan man hitta ett tidsintervall då endast en typ av ämne kommer ut och på så vis få en ren produkt.
Valet av det här tidsintervallet kallas poolning och det jag har undersökt i mitt examensarbete är hur det tidsintervallet kan styras för att maximera den mängd produkt man kan få ut utan att påverka renheten negativt.
Det är nämligen så att i ett kromatografiskt system så kan det bara observeras hur loppet mellan de olika ämnena går precis vid målgången och oftast kan man bara mäta hur mycket som går i mål men inte vilken typ de tillhör. Detta betyder att om oväntade saker händer på banan så att alla tävlande inte kommer ut vid de väntade tiderna, så kan det vara svårt att bestämma i vilket tidsintervall som produkt ska plockas ut. Det finns således ett behov av att ha ett bra kontrollsystem för att undvika beslut som leder till dålig produktkvalitet och slöseri på råvaror.
De olika strategierna provades för olika typer av oväntade händelser för att undersöka hur väl de kunde hanteras. Det visade sig att ingen av strategierna var enskilt bäst för alla fall. Olika strategier klarade av att hantera olika typer av oväntade händelser med varierande resultat.
Att veta hur olika strategier klarar av att bestämma tidsintervallet för att plocka ut produkt från en kromatografisk process är värdefullt för att kunna maximera lönsamheten i sin produktion. I mitt examensarbete undersökte jag tre olika strategier för att bestämma detta intervall. Den första strategin tittade på ett standardfall för målgång och bestämde tidsintervallet baserat på det. Den andra strategin tittade på standardfallet men istället för att bara ta tidsintervallet rakt av så kollade den på hur mycket av ämnena som uppmättes precis vid ändpunkterna i tidsintervallet och använda dessa för att bestämma nya tidsintervall för det riktiga fallet. Den sista strategin som provades använde mätningarna på mängden som gick i mål för att gissa hur loppet gick under tiden loppet var igång. Baserat på dessa gissningar försökte den aktivt hitta det bästa tidsintervallet under loppets gång. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Persson, Michael LU
supervisor
organization
course
KET920 20151
year
type
H3 - Professional qualifications (4 Years - )
subject
keywords
pooling, chemical engineeering, kemiteknik, chromatography, online control, optimization
language
English
id
5462149
date added to LUP
2015-06-12 12:56:57
date last changed
2015-06-12 12:56:57
@misc{5462149,
  abstract     = {Computer simulation and modelling was used to simulate a real time environment in preparative chromatography to evaluate the performance of three different strategies for pooling control for different levels of robustness. The pooling problem was based around a separation case where three different insulin species were to be separated while disturbances to the modulators potassium chloride, ethanol and sample load could be imposed on the system. The simulation was created with the assumption that the only measurement available would be the UV absorbance at the process outlet. The first strategy implemented was a time based method where the cut points were determined by offline optimization and would then be static. The second strategy started with offline optimization which was used to determine the UV absorbance measurement at the optimal cut points, these UV absorbances were then used to determine cut placement in real time simulation. The last strategy was a predictive method which made estimations of the concentration profiles in the column based on the gathered measurements and subsequently used these estimations to continuously make new optimized pooling decisions in the real time simulation. The parameters investigated for the evaluation of the performance were the process yield, purity and number of batch failures due to unmet purity requirements. The time based strategy showed the best performance when only load disturbances were present and the prediction based strategy showed the best performance when only disturbances to the modulators were present. The UV based strategy had a large percentage of batch failures for all disturbance cases, the strategy only had moderate success at the highest levels of robustness used in this thesis. Results also indicate that the type of disturbance distribution used could play a part in which strategy shows the best performance. The predictive strategy fared better in cases where latin hypercube sampling was used for the disturbance distribution while the time based strategy showed better performance for a normal random disturbance distribution.},
  author       = {Persson, Michael},
  keyword      = {pooling,chemical engineeering,kemiteknik,chromatography,online control,optimization},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Evaluation and development of strategies for pooling in preparative chromatography},
  year         = {2015},
}