Automated Simulation and Parameter Estimation of Chromatography Processes

Abstract

Preparative chromatography is an important separation technique in downstream processing for several industries. It has the ability to separate two or more component from each other to achieve high purity. Most components that are separated with preparative chromatography are high value components and it is therefore necessary to use small amounts in the development of the process too lower costs. The ability to model these systems and simulate them before running experiments could lower these costs and also make the process more efficient.

At the Department of Chemical Engineering at Lund University, liquid chromatography systems (ÄKTA from GE) are controlled with a in-house developed software called \emph{Orbit}. In this thesis, a simulation software was integrated into the software so that an experienced user could simulate methods with the same syntax as before. The software was able to simulate the whole flow path with tubes, columns and other units. The user was then able to follow different components throughout the system and predict their behavior. For the column, a simplified mass steric action model was implemented so that the adsorption of components could be described.

A parameter estimation software was also implemented into the software package. This gave the user the option to estimate model parameters for a component using only two data sets. The software designed so that \emph{Orbit} could conduct the experiments on the ÄKTA machines and then from that data, it could estimate model parameters. In this study, data sets was created using the simulation software and known model parameters. Using these data sets, the software was able to estimate the model parameters in different cases with great precision and robustness. Even if the user made a bad guess, the software was still able to find precise parameters.

Popular Abstract (Swedish)

Att ta fram metoder för upprening av komponenter är ofta en tidskrävande och kämpig process. Processen kräver först ett flertal experiment med små mängder prov, vilket utförs i småskaliga labb. När sagda småskaliga labb fått kläm på tekniken är det dags att testa den i en större skala. Men om nu komponenten som ska renas är dyr att framställa blir denna process snabbt kostsam. Det är här mjukvaran i denna studie kan komma till användning. För hade det inte varit smidigare att utifrån enbart ett fåtal experiment låta en dator simulera och bygga en modell som beskriver experimentens utfall istället? Och när vi ändå håller på, varför inte låta datorn styra den experimentella uppställningen och köra experimentet åt oss?
Denna studie tar ett steg i denna riktning. En mjukvara har tagits fram som menar till att automatisera denna process genom att köra två experiment på en vätskekromatografimaskin. Utifrån den data som ges av experimentet kan mjukvaran anpassa en modell till den komponent som undersökts. I vätskekromatografi sker själva separationen i en adsorptionskolonn där olika komponenter fastnar olika hårt. Det är just denna effekt som modellen av komponenten syftar på att beskriva. Hela processen sker per automatik, så fort en användare startar programmet. Det är bara att trycka på en knapp och invänta ett resultat! Eftersom enbart två experiment utförs innan mjukvaran kan sättas igång behövs det inte mycket av den dyra komponenten, vilket gör att kostnaderna kan hållas nere.
Resultatet av mjukvaran som skapats i denna studie är ett robust program – det vill säga det klarar svåra bedömningar och når alltid ett tillräckligt bra. För de nio olika fall som undersöktes i denna studie hittade mjukvaran en noggrann modell i alla fallen. När en modell väl skapats så kan denna användas för att simulera experiment innan de utförs. På så sätt kan en användare simulera sig fram till en lämplig separationsteknik, istället för att utföra flertal experiment. När man väl har hittat en metod som uppfyller ens krav kan denna valideras genom att köra ett riktigt experiment. Det faktiska experimentet kan sedan jämföras med simuleringen. Genom att utföra simuleringar går det även att förutspå komponentens beteende under andra betingelser t ex ändrat flöde eller ändrad elueringsmetod. Därmed kan man skapa sig en djupare förståelse för hur komponenten beter sig för den specifika adsorptionskolonnen i vätskekromatografisystemet. Tidsåtgången för att nå en bra separationsmetod och antalet experiment kan reduceras.

• author: Olsson, Johan
• supervisor: Niklas Andersson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20182
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: chemical engineering, kemiteknik
• language: English
• id: 8966016
• date added to LUP: 2019-01-09 15:59:45
• date last changed: 2019-01-09 15:59:45