Advanced

Increasing yield in chromatography using batch-to-batch recirculation

Persson, Oliver LU (2016) KET920 20161
Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
Abstract
Preparative chromatography is an important process step for separation and purification of fine chemicals, pharmaceuticals, and other biotechnical products. The technique mainly used in the pharmaceutical and fine chemistry industries is single-column batch chromatography (BC). The major drawback of BC is the trade-off between product purity and process performance. A high purity of the product comes at the cost of reduced recovery yield of product, increased solvent consumption and/or decreased productivity. Many different process concepts have been developed to overcome the trade-off limitation. One suggested process recirculates impure product at the outlet of the column to the inlet of the column, along with fresh feed.

This study... (More)
Preparative chromatography is an important process step for separation and purification of fine chemicals, pharmaceuticals, and other biotechnical products. The technique mainly used in the pharmaceutical and fine chemistry industries is single-column batch chromatography (BC). The major drawback of BC is the trade-off between product purity and process performance. A high purity of the product comes at the cost of reduced recovery yield of product, increased solvent consumption and/or decreased productivity. Many different process concepts have been developed to overcome the trade-off limitation. One suggested process recirculates impure product at the outlet of the column to the inlet of the column, along with fresh feed.

This study aimed at investigating the usage of a two-column recirculation process to achieve better process performance than traditional BC. The investigation started with modelling and simulation of the process. The process was also constructed and validated experimentally in lab. Finally, the simulation model was used to perform an optimization study. The constructed process utilized two ion-exchange chromatography columns, a main column and a twin-column. A ternary protein mixture of ribonuclease A, cytochrome c and lysozyme was used to be separated.

A comparison between simulated and experimental protein concentrations showed that a fairly good prediction of experimental data could be made by using the simulation model. A start-up behaviour with increasing product concentrations in the system could be seen during the first cycles of the process. The process then entered cyclic steady-state after a while, with reoccurring concentration profiles during each cycle. According to the simulated model, the fresh product injected during each steady-state cycle may equal the product extracted during each cycle. This may result in a very high recovery yield while operating at cyclic steady-state.
The batch-to-batch recirculation process is a bit more complex and demands more equipment than traditional BC. However, according to the visual optimization of the process, the batch-to-batch recycling process outperforms traditional BC when it comes to combining high productivity and high yield at high purity requirements. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
En hjälpsam tvilling ska minska svinnet av läkemedel

Tänk om du skulle behöva stoppa i dig en massa oönskade, kanske rentav farliga ämnen varje gång du var sjuk. Låter inte särskilt hälsosamt va? Det är just därför som upprening av läkemedel är viktigt. Att ta fram rena läkemedel är inte helt enkelt och kan leda till att läkemedel behöver kastas bort. Genom ett examensarbete vid Lunds Universitet kommer nu mindre läkemedel behöva gå till spillo vid uppreningen.

Vid framställning av läkemedel är det vanligt att ett antal biprodukter bildas. Dessa biprodukter kan leda till oönskade effekter om de hamnar i en människokropp och måste därför separeras bort. En separationsmetod med utbredd användning är kromatografi som utnyttjar att... (More)
En hjälpsam tvilling ska minska svinnet av läkemedel

Tänk om du skulle behöva stoppa i dig en massa oönskade, kanske rentav farliga ämnen varje gång du var sjuk. Låter inte särskilt hälsosamt va? Det är just därför som upprening av läkemedel är viktigt. Att ta fram rena läkemedel är inte helt enkelt och kan leda till att läkemedel behöver kastas bort. Genom ett examensarbete vid Lunds Universitet kommer nu mindre läkemedel behöva gå till spillo vid uppreningen.

Vid framställning av läkemedel är det vanligt att ett antal biprodukter bildas. Dessa biprodukter kan leda till oönskade effekter om de hamnar i en människokropp och måste därför separeras bort. En separationsmetod med utbredd användning är kromatografi som utnyttjar att läkemedlet och biprodukterna har olika kemiska egenskaper. Kromatografi kan använda sig av en packad kolonn, det vill säga ett rör fyllt av elektriskt laddade sandkorn. Ämnena får rinna genom kolonnen och när de gör det kommer vissa ämnen att trivas bra bland sandkornen. Andra ämnen stöts bort av miljön och kommer passera så snabbt som möjligt. Detta leder till en separation. Ibland trivs ämnena nästan lika bra i kolonnen, vilket gör att de kan vara svåra att separera. Detta leder till att en oönskad blandning av läkemedlet och biprodukten rinner ut ur kolonnen. Normalt sett måste denna blandning kastas, den är ju oren. Detta leder till att helt fungerande läkemedel kastas bort!

I examensarbetet har en ny vinkel undersökts. Det orena läkemedlet kastas inte bort utan skickas tillbaka till systemets inlopp igen. För att åstadkomma detta används två kolonner, en huvudkolonn och en tvillingkolonn. Tvillingkolonnen är identisk med huvudkolonnen för att ge samma beteende. Kolonnerna bollar läkemedlet mellan sig och släpper bara ifrån sig läkemedel när det är tillräckligt rent. Läkemedel kan bestå av protein, vilket har varit fallet i denna studie.

Utifrån experiment har en simuleringsmodell tagits fram på dator. Simuleringsmodellen är användbar eftersom att den kan förutspå hur systemet beter sig, utan att behöva göra upprepade kostsamma experiment i laboratorium. Enligt simuleringsmodellen kan det nya systemet ta till vara på mer läkemedel, vilket passar speciellt bra för läkemedel som är väldigt dyra att framställa. Förhoppningen är att läkemedelsbranschen kommer kunna ta till vara på en större del av sina framställda produkter, men också att befolkningens behov ska bli lättare att tillgodose. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Persson, Oliver LU
supervisor
organization
course
KET920 20161
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
cyclic steady-state, batch-to-batch recirculation process, simulation of chromatography, ion-exchange chromatography, twin-column, chemical engineering, kemiteknik
language
English
id
8875887
date added to LUP
2016-06-10 10:19:26
date last changed
2016-06-10 10:19:26
@misc{8875887,
  abstract     = {Preparative chromatography is an important process step for separation and purification of fine chemicals, pharmaceuticals, and other biotechnical products. The technique mainly used in the pharmaceutical and fine chemistry industries is single-column batch chromatography (BC). The major drawback of BC is the trade-off between product purity and process performance. A high purity of the product comes at the cost of reduced recovery yield of product, increased solvent consumption and/or decreased productivity. Many different process concepts have been developed to overcome the trade-off limitation. One suggested process recirculates impure product at the outlet of the column to the inlet of the column, along with fresh feed.

This study aimed at investigating the usage of a two-column recirculation process to achieve better process performance than traditional BC. The investigation started with modelling and simulation of the process. The process was also constructed and validated experimentally in lab. Finally, the simulation model was used to perform an optimization study. The constructed process utilized two ion-exchange chromatography columns, a main column and a twin-column. A ternary protein mixture of ribonuclease A, cytochrome c and lysozyme was used to be separated. 

A comparison between simulated and experimental protein concentrations showed that a fairly good prediction of experimental data could be made by using the simulation model. A start-up behaviour with increasing product concentrations in the system could be seen during the first cycles of the process. The process then entered cyclic steady-state after a while, with reoccurring concentration profiles during each cycle. According to the simulated model, the fresh product injected during each steady-state cycle may equal the product extracted during each cycle. This may result in a very high recovery yield while operating at cyclic steady-state. 
The batch-to-batch recirculation process is a bit more complex and demands more equipment than traditional BC. However, according to the visual optimization of the process, the batch-to-batch recycling process outperforms traditional BC when it comes to combining high productivity and high yield at high purity requirements.},
  author       = {Persson, Oliver},
  keyword      = {cyclic steady-state,batch-to-batch recirculation process,simulation of chromatography,ion-exchange chromatography,twin-column,chemical engineering,kemiteknik},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Increasing yield in chromatography using batch-to-batch recirculation},
  year         = {2016},
}