Downscaling and modelling of an ion-exchange chromatography column for purifying glucose solutions
(2020) KETM05 20201Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
- Abstract
- To utilize sugars as a feedstock for renewable industries, the feedstock often needs to be very pure. This is due to ionic species contaminating the sugar feedstock being potent catalyst poisons in many cases. To remove ionic species from the sugar feedstock, it is dissolved and purified using packed ion-exchange columns. In this report, a lab-scale setup of a large scale ion-exchange setup was constructed. The system was then modelled using Matlab. The goal was to produce a lab-scale setup that in theory operates similarly to the large setup and develop a model that can predict the behaviour of the system. The feed sugar content was varied using glucose, the range of glucose concentrations tested were 0, 10, 30, and 50 wt% glucose. The... (More)
- To utilize sugars as a feedstock for renewable industries, the feedstock often needs to be very pure. This is due to ionic species contaminating the sugar feedstock being potent catalyst poisons in many cases. To remove ionic species from the sugar feedstock, it is dissolved and purified using packed ion-exchange columns. In this report, a lab-scale setup of a large scale ion-exchange setup was constructed. The system was then modelled using Matlab. The goal was to produce a lab-scale setup that in theory operates similarly to the large setup and develop a model that can predict the behaviour of the system. The feed sugar content was varied using glucose, the range of glucose concentrations tested were 0, 10, 30, and 50 wt% glucose. The feed linear flow velocity was also varied, the flows studied were 0.65, 1.3 and 2.6 m/h respectively.
To simulate the kinetics of adsorption of ionic species to the resin, the equilibrium adsorption isotherm was measured experimentally. Both the temperature effect and the effect of different glucose concentrations in the liquid was studied. It was found that lower temperatures favoured the resin performance at higher glucose temperatures and higher glucose concentration had a negative effect on the resin performance.
As the isotherm had been determined for the different glucose concentrations, experimental data of the lab-scale setup was compared to model simulations. The model shows promise in emulating the experimental setup. The experimental setup does however need more work to raise reproducibility of the setup which has been a major issue throughout. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Skalning och modellering av en kromatografikolonn för rening av sockerlösningar.
För att uppnå klimatmålen behöver fossila råvaror inom kemiindustrin bytas ut mot förnybara råvaror. Socker är en råvara med stor potential inom industrin, men är ofta förorenat med salter. Därför utforskas rening av sockerlösningar här.
För att använda socker som förnybar råvara för kemiindustri behöver sockret ofta vara mycket rent. Detta är på grund av att salter och andra orenheter i sockret ofta är mycket starka katalysatorgift. För mycket salt i inflödet till en process kan därför förstöra katalysatorn och därmed hela processen. För att rena sockret från salter löses det upp och renas med jonbytarkromatografi. Jonbytarkromatografi som process... (More) - Skalning och modellering av en kromatografikolonn för rening av sockerlösningar.
För att uppnå klimatmålen behöver fossila råvaror inom kemiindustrin bytas ut mot förnybara råvaror. Socker är en råvara med stor potential inom industrin, men är ofta förorenat med salter. Därför utforskas rening av sockerlösningar här.
För att använda socker som förnybar råvara för kemiindustri behöver sockret ofta vara mycket rent. Detta är på grund av att salter och andra orenheter i sockret ofta är mycket starka katalysatorgift. För mycket salt i inflödet till en process kan därför förstöra katalysatorn och därmed hela processen. För att rena sockret från salter löses det upp och renas med jonbytarkromatografi. Jonbytarkromatografi som process fungerar genom att pumpa en förorenad vätska genom en kolonn. Kolonnen innehåller en bädd av fast packningsmaterial med speciella platser där föroreningarna kan fästas på. Packningsmaterialet tar då upp föroreningarna ur vätskan, men låter resten av vätskan passera och på så sätt kan man få en mycket ren vätska som produkt.
I denna rapport konstruerades en labbskalad variant av en existerande storskalig jonbytarkolon. Processen simulerades även med hjälp av datorverktyg. Målet var att producera en enhet på labbskala som i teorin producerar jämförbara resultat som den storskaliga enheten och sedan utveckla en modell som kan förutspå hur systemet beter sig. Frågeställningen var följande: Kan en labbskalad variant av reningsprocessen konstrueras och kunde den ge rimliga resultat? Kan processen modelleras med datorverktyg och vilka effekter har olika parametrar på processens beteende?
Fördelar med att ha en labbskalad variant av en processenhet gentemot att endast ha en storskalig process är flera. Mängden tid, arbete och resurser som krävs för att utföra tester minskar drastiskt med storleken på uppsättningen. Om man sedan går ett steg längre och bygger en simuleringsmodell av uppsättningen, så kan försök utföras på mycket kortare tid än möjligt i labbet och kostnaden per experiment är försumbar. Med en pålitlig modell kan man snabbt ta reda på hur en process ska drivas för bästa resultat. I denna studie undersöktes hur sockerinnehållet hos vätskan och flödeshastigheten genom kolonnen påverkade processens beteende.
För att bygga en modell för systemet behövdes data för både hur packningsmaterialet och kolonnen beter sig. Packningsmaterialet tog upp färre föroreningar både med högre sockerhalt i vätskan och vid högre temperaturer. Även kolonnen visade sig prestera sämre vid högre sockerhalter hos vätskan. Med experimentella data kunde modellen utformas och resultat från experiment kunde återskapas med framgång. Kolonnen och modellen visade båda jämförbara resultat även om flödeshastighet och sockerhalt på vätskan varierades. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9016821
- author
- Geraldsson, Viktor LU
- supervisor
- organization
- course
- KETM05 20201
- year
- 2020
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Ion-exchange, chromatography, glucose, purification, modelling, equilibrium isotherm, Matlab, chemical engineering, kemiteknik
- language
- English
- id
- 9016821
- date added to LUP
- 2020-09-14 09:49:04
- date last changed
- 2020-09-14 09:49:04
@misc{9016821,
abstract = {{To utilize sugars as a feedstock for renewable industries, the feedstock often needs to be very pure. This is due to ionic species contaminating the sugar feedstock being potent catalyst poisons in many cases. To remove ionic species from the sugar feedstock, it is dissolved and purified using packed ion-exchange columns. In this report, a lab-scale setup of a large scale ion-exchange setup was constructed. The system was then modelled using Matlab. The goal was to produce a lab-scale setup that in theory operates similarly to the large setup and develop a model that can predict the behaviour of the system. The feed sugar content was varied using glucose, the range of glucose concentrations tested were 0, 10, 30, and 50 wt% glucose. The feed linear flow velocity was also varied, the flows studied were 0.65, 1.3 and 2.6 m/h respectively.
To simulate the kinetics of adsorption of ionic species to the resin, the equilibrium adsorption isotherm was measured experimentally. Both the temperature effect and the effect of different glucose concentrations in the liquid was studied. It was found that lower temperatures favoured the resin performance at higher glucose temperatures and higher glucose concentration had a negative effect on the resin performance.
As the isotherm had been determined for the different glucose concentrations, experimental data of the lab-scale setup was compared to model simulations. The model shows promise in emulating the experimental setup. The experimental setup does however need more work to raise reproducibility of the setup which has been a major issue throughout.}},
author = {{Geraldsson, Viktor}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Downscaling and modelling of an ion-exchange chromatography column for purifying glucose solutions}},
year = {{2020}},
}