Advanced

A Model-based Approach to Evaluating Chromatography Capture Steps

Ulmestig, Jakob LU (2017) KET920 20171
Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
Abstract
Recent advances in upstream production of biopharmaceuticals have not yet been matched by equivalent advances in the downstream processing. As chromatography is currently the primary downstream processing method in production of biopharmaceuticals new methods for multicolumn processes are being developed. This paper investigates one such method, the three-column periodic counter-current (3C-PCC) process, through computer models and laboratory experiments. The process is optimized with respect to scheduling and the effect of feed concentration is studied.

3C-PCC is shown to have limited to no benefit from decreased flowrates, and the effects of the feed concentration shows clear signs of the internal scheduling limitations that arise... (More)
Recent advances in upstream production of biopharmaceuticals have not yet been matched by equivalent advances in the downstream processing. As chromatography is currently the primary downstream processing method in production of biopharmaceuticals new methods for multicolumn processes are being developed. This paper investigates one such method, the three-column periodic counter-current (3C-PCC) process, through computer models and laboratory experiments. The process is optimized with respect to scheduling and the effect of feed concentration is studied.

3C-PCC is shown to have limited to no benefit from decreased flowrates, and the effects of the feed concentration shows clear signs of the internal scheduling limitations that arise when the feed concentration rises above a certain value. The results show an increase in resin utilization but a lower productivity for the multicolumn process compared to the base case batch process. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
MER FÖR MINDRE – FRAMTIDENS LÄKEMEDELSFRAMSTÄLLNING KAN SNART VARA HÄR
Kemiindustrin har traditionellt varit något av boven i dramat när det kommer till negativ miljöpåverkan. Men nu utvecklas nya resurssnålare framställningsprocesser för läkemedel som kan leda till billigare mediciner, med mindre miljöpåverkan i framtiden.

Välden står idag inför stora utmaningar när det kommer till miljön, dels genom global problematik som klimatförändring och dels genom mer lokala problem till följd av utsläpp av farliga ämnen i naturen kring människan. Tyvärr så är det ofta så att kemibranschen är en av värstingarna när det kommer till utsläpp, men med dagens samhälle så är vi beroende av kemiindustrin för så väl de material som vi numera tar... (More)
MER FÖR MINDRE – FRAMTIDENS LÄKEMEDELSFRAMSTÄLLNING KAN SNART VARA HÄR
Kemiindustrin har traditionellt varit något av boven i dramat när det kommer till negativ miljöpåverkan. Men nu utvecklas nya resurssnålare framställningsprocesser för läkemedel som kan leda till billigare mediciner, med mindre miljöpåverkan i framtiden.

Välden står idag inför stora utmaningar när det kommer till miljön, dels genom global problematik som klimatförändring och dels genom mer lokala problem till följd av utsläpp av farliga ämnen i naturen kring människan. Tyvärr så är det ofta så att kemibranschen är en av värstingarna när det kommer till utsläpp, men med dagens samhälle så är vi beroende av kemiindustrin för så väl de material som vi numera tar förgivet i vår vardag som de läkemedel som hjälper oss överleva sjukdomar som aldrig tidigare förut. Det är därför viktigt att vi fortsatt förbättrar de processer som används inom kemiindustrin för att minimera dess negativa konsekvenser.
Som ett sätt att angripa den här problematiken utvärderar det här arbetet en möjlig förbättring av en av de essentiella separationsprocesserna som används inom läkemedelsindustrin, kromatografi, med förhoppningen att kunna minska resursförbrukningen utan att negativt påverka produkten.
Traditionella kromatografi-processer lider av en avvägning; när utnyttjandet av processen ökar förbi en given nivå så tappar man en del av det ämne som man försöker att utvinna. Detta har lett till att man generellt har begränsat den utnyttjade kapaciteten till ca. 60% av maxkapacitet för att undgå att förlora det ofta värdefulla ämne som man vill separera. Men detta har lett till att runt 40% av resurserna som förbrukas av processen inte gör någon nytta, utan slösas.
Genom nya metoder, där flera av de traditionella processerna kopplas samman, kan man koppla isär de tidigare sammanlänkade hög kapacitet och förlust av det önskade ämnet. En sådan metod har utvärderats genom en kombination av datorsimuleringar och experiment i labb.
I min utvärdering har jag kunnat se förbättringar i kapacitetsutnyttjad utan att se en ökad förlust av ämnet som skall utvinnas, vilket stämmer överens med tidigare rapporterade forskningsresultat. Men de förbättringar som jag uppnår är inte lika stora som tidigare har rapporterats. Detta beror dock sannolikt på att den relativt enkla modell av processen som använts, som överskattar den traditionella processen vid högt kapacitetsutnyttjande.
Mer forskning behövs, där mer avancerade modeller används för att beskriva processen för att få en bättre representation av verkligheten. Men trots detta så uppvisar den nya tekniken lovande tecken, och författaren tror att tekniken har en god chans att bli standard i en icke alltför avlägset belägen framtid.

Jakob Ulmestig
November 2017,
författare till examensarbetet ’A Model-based Approach to Evaluating Chromatography Capture Steps’ inom Avancerad Processteknik vid Instutitionen för Kemiteknik, Lunds Tekniska Högskola (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Ulmestig, Jakob LU
supervisor
organization
course
KET920 20171
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Periodic counter-current chromatography, PCC, Continuous chromatography, Continuous bioprocessing, Sequential capture, Model based optimization, Breakthrough curve, chemical engineering, kemiteknik
language
English
id
8928249
date added to LUP
2018-01-19 13:34:28
date last changed
2018-01-19 13:34:28
@misc{8928249,
  abstract     = {Recent advances in upstream production of biopharmaceuticals have not yet been matched by equivalent advances in the downstream processing. As chromatography is currently the primary downstream processing method in production of biopharmaceuticals new methods for multicolumn processes are being developed. This paper investigates one such method, the three-column periodic counter-current (3C-PCC) process, through computer models and laboratory experiments. The process is optimized with respect to scheduling and the effect of feed concentration is studied.

3C-PCC is shown to have limited to no benefit from decreased flowrates, and the effects of the feed concentration shows clear signs of the internal scheduling limitations that arise when the feed concentration rises above a certain value. The results show an increase in resin utilization but a lower productivity for the multicolumn process compared to the base case batch process.},
  author       = {Ulmestig, Jakob},
  keyword      = {Periodic counter-current chromatography,PCC,Continuous chromatography,Continuous bioprocessing,Sequential capture,Model based optimization,Breakthrough curve,chemical engineering,kemiteknik},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {A Model-based Approach to Evaluating Chromatography Capture Steps},
  year         = {2017},
}