• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Kemiteknik01. 01. 2019 | Katrine Meyn

Forsøgsdesign til dynamisk roterende filtrering optimeret med CFD

Kemiteknik01. 01. 2019 By Katrine Meyn

Eksperimentelle undersøgelser af dynamisk filtrering i produktionsskala viste en stor forskel i filteringskapaciteten mellem laboratorie- og produktionsskala – til produktionsskalaens fordel. Efterfølgende modellering med CFD gav spændende resultater.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2019 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Læs originalartiklen her

Af Henrik S. Marke1, Ernst Broberg Hansen2, Martin P. Breil2, Manuel Pinelo1 og Ulrich Krühne1
1 Institut for Kemiteknik, 2 Novo Nordisk A/S

Modelleringen med Computational Fluid Dynamics (CFD) afslørede nemlig en lokal ophobning af materiale, med en reduktion af membranens permeabilitet. Med baggrund i CFD-modellen blev laboratorieopstillingen ændret, således at den lokale ophobning af materiale blev undgået. Med det nye design modsvarer laboratorieforsøgene produktionsskalaen bedre.

Introduktion
Ved produktion af proteiner udtrykt ekstracellulært i mikroorganismer er det værdifulde produkt at finde i fermenteringsvæsken, derfor kan fjernelsen af celler være nødvenlig for den videre oprensningsproces. Forsøgsvist er separationen udført ved hjælp af en filtreringsproces. Udfordringen ved at filtrere mikroorganismer er deres dårlige filtreringsegenskaber; for eksempel kan cellerne komprimeres til en tæt kage på membranoverfladen. Dette besværliggør en kontinuerlig produktion, da filtrene hurtigt tilstoppes og skal rengøres. For at kunne anvende filtrering i produktionsskala er det nødvendigt at benytte teknologier, som minimerer tilstopning (eng: fouling) af membranen. Det kunne eksempelvis være tangentiel flow filtration, hvor væskeflowet langs membranen genererer den forskydningsspænding (eng: Shear force), som er nødvendig for at holde overfladen ren.
Dynamisk filtrering er en alternativ teknologi til at kontrollere tilstopningen af membranen. I teknologien bevæges selve membranen for at generere forskydningsspændingen, som begrænser tilstopning af membranen. Roterende Dynamisk Filtrering (RDF) benytter cirkulære membraner, der roteres omkring en akse, se figur 1. I RDF er det kun membraner, der skal bevæges, derfor kan der genereres en højere forskydningsspænding, end der kan opretholdes ved tangentiel flow filtration, hvor al væsken skal holdes i kraftig bevægelse. Dermed muliggør RDF filtrering af mikrobiologisk materiale.

Overraskelsen i produktionsskala
Før teknologien blev overført til produktionsskala, blev den grundigt testet i laboratoriet. Laboratorieopstillingen havde en enkelt membranskive med et filterareal på 0.034 m2. For de testede produkter blev permeabiliteten bestemt til 25 L/(h m2 bar) på baggrund af 17 forsøg.
På baggrund af de succesfulde laboratorieforsøg, blev udstyr til test i produktionsskala anskaffet. Udstyret er monteret med 128 overlappende membranskiver for et totalt filtreringsareal på 16,4 m2. Eksperimenterne i produktionsskala blev foretaget med samme organismer og procesbetingelser som i laboratoriet. Ved testen i produktionsskala blev der foretaget tre eksperimenter, der resulterede i en gennemsnits-permeabilitet på 89 L/(h m2 bar), dvs. ca. tre gange højere end forventet med baggrund i laboratorieforsøgene. Dette var stærkt overraskende, særligt fordi producenten (Andritz) havde indikeret, at der skulle forventes en lavere kapacitet i produktionsskalaudstyret end i laboratorieudstyret.
Skaleringen af laboratorieforsøgene antager, at hele filterarealet har den samme permeabilitet, da der skaleres med det totale membranareal i udstyret. Hvis dele af membranen ikke har optimale filtreringsbetingelser, vil det nedjustere forventningen til kapaciteten i produktionsskala.

Numerisk simulation
For at afdække forskellen i kapaciteten mellem produktions- og laboratorieskala, blev laboratorieudstyret modelleret ved hjælp af CFD. Geometrien blev genskabt digitalt i ANSYS CFX, se figur 1. På baggrund af de eksperimentelle forsøg blev problemet beskrevet matematisk, for eksempel blev ind- og udløbshastigheder defineret, så de var sammenfaldende med de udførte forsøg. Selve membranen blev modelleret som et porøst materiale, uigennemtrængeligt for partikler. Igennem CFD-modellen er det muligt at evaluere, hvordan partiklerne fordeler sig i filtreringsmodulet.
Resultaterne af simulationerne ses i figur 3 og 4. Som det ses i figur 3, er der to tydeligt definerede cirkulationsområder i modulet. Begge er velomrørte, men der er ikke nævneværdig udveksling mellem cirkulationsområderne. I figur 4 ses fordelingen af partikler ved ligevægtstilstand, dvs. efter længere tids drift. Partikelkoncentrationen på forsiden af membranen er højere end på bagsiden. Situationen opstår, fordi både indløbet og udløbet er placeret på bagsiden af membranen, hvilket betyder, at væsken på bagsiden kan strømme fra indløbet til udløbet uden at påvirke væsken på forsiden af membranen. Udvekslingen mellem de to områder er minimal, primært drevet af behovet for at erstatte det permeat, der forlader membranen gennem forsiden. Det minimale tilbageløb fra forside til bagside betyder, at partiklerne kan koncentreres på forsiden. En højere partikelkoncentration medfører en forøget opbygning af kage på membranen, hvilket giver en forhøjet modstand mod filtrering. Dermed leder højere partikelkoncentration til reduceret permeabilitet.
Permeabilitetsreduktionen på forsiden af membranen, som følge af forskellen i partikelkoncentration, er en rimelig forklaring på forskellen mellem de forskellige forsøgsopstillinger. Simulation af produktionsskalaudstyret blev fravalgt, da omkostningerne til beregning af fuldskalamodellen blev vurderet for høje. Til gengæld kunne effekten af indløbets placering let testes eksperimentelt. I laboratorieudstyret kunne muligheden for lokal koncentrationsforøgelse reduceres ved at flytte indløbet fra bagsiden til forsiden af membranen.

Ombygning af laboratorieopstilling
For at teste betydningen af indløbet blev laboratorieopstillingen ombygget; indløbet blev flyttet fra bagsiden til forsiden og placeret over skivens centrum, se figur 1. Herved skulle muligheden for lokale koncentrationsforøgelser være fjernet. For at undersøge effekten af placeringen blev der udført to forskellige forsøg.
Først blev effekten af indløbets placering undersøgt med et materiale, der var sammenligneligt med materialet fra de oprindelige laboratorieforsøg. Disse forsøg resulterede i en permeabilitet på 69 L/h(m2 bar) , som vist i figur 2.
Dernæst blev der udført to kontrolforsøg, med ens materialer, hvor indløbet blev flyttet mellem for- og bagsiden. Her kunne udviklingen af permeabiliteten ved forskellige filtreringshastigheder undersøges. Udviklingen i filtreringshastigheden og permeabiliteten for de to kontrolforsøg er vist i figur 5. For lavere filtreringshastigheder er permeabiliteten identisk for begge indløbsplaceringer. Ved 28 L/(h m2) falder permeabiliteten tydeligt i forsøget med indløb på bagsiden. Dette skyldes sandsynligvis, at fluxen er større end udstyrets evne til at flytte materiale fra forside til bagside ved konvektion. Dette medfører forøget tilstopning af membranen på forsiden. Det underbygges af det videre forløb, hvor permeabliliten ikke kommer tilbage til samme niveau som i forsøget med frontindløb, til trods for at fluxen falder til 21 L/(h m2).

Konklusion
På baggrund af en afvigelse mellem laboratorieskala- og produktionsskalaforsøg er laboratoriemodulet blevet modelleret med CFD. Her er det blevet vist, at der sker en uhensigtsmæssig koncentrationsforøgelse på den ene side af membranen på grund af manglende udveksling mellem for- og bagsiden af membranen. Ud fra CFD-modellen blev der udarbejdet et muligt løsningsforslag: at flytte indløbet fra forsiden til bagsiden af membranen.
På baggrund af de efterfølgende kontrolforsøg er væskens vej gennem modulet blevet forbedret, således at der ikke længere sker en uhensigtsmæssig koncentration af materiale på forsiden af membranen. Ændringen af indløbsplaceringen forbedrer kapaciteten fra 25 til 69 L/(h m2 bar), en klar forbedring. Ændringen af geometrien med baggrund i CFD-modellen, har dermed forbedret sammenhængen mellem resultaterne i laboratorieskala og forventningerne til produktionsskala.

Figur 1. Skitse af laboratorieudstyrets geometri. På tegningen er forsiden og bagsiden, samt ind- og udløb indikeret. Membranen og aksen udgør de roterende dele af udstyret. I figuren er membranen og aksen vist transparent for at vise, hvordan permeatetet forlader udstyret.

Figur 2. Gennemsnitligt tryk, flux samt permeabilitet for de tre undersøgte situationer. A) Data fra test i produktionsskala. B) Data fra laboratorieforsøg foretaget før testen i produktionsskala. C) Data fra laboratorieforsøg foretaget efter ombygning. Linjerne indikerer usikkerheder på værdierne.

Figur 3. CFD-simulation af de radiale og aksiale strømninger i filtreringsmodulet. Man kan se cirkulationszonerne på begge sider af membranen.

Figur 4. CFD-simulation af partikelkoncentration i filtreringsmodulet. Indløbskoncentrationen er sat til 0,2. De to adskilte områder, med forskellige koncentrationer, ses tydeligt.

Figur 5. Eksperimentel permeabilitet for kontrolforsøgene. Den eksperimentelle data viser en gennemsnitsværdi over to minutter, spredningen er indikeret som det farvede areal.
Grøn: Indløb på bagsiden, Rød: Indløb på forsiden. Orange: Fluxen, for begge eksperimenter.

Skrevet i: Kemiteknik

Seneste nyt fra redaktionen

Både Techmedia og mange fagfolk vil savne Marianne Dieckmann

AktueltBranchenyt15. 10. 2025

Det er med stor sorg, at vi må fortælle, at vores hjertevarme og altid positive kollega – og ven – Marianne Dieckmann (61) ikke er hos os i denne verden længere. Marianne gik for nyligt bort efter i flere år at have kæmpet mod en kræftsygdom, som hun dog hverken lod forlag eller vores mange kunder

Er kokain protoneret, når det binder til dopamintransporteren?

Artikler fra Dansk KemiMedicinalkemiTop13. 10. 2025

Vi har undersøgt, hvordan pH-forholdene er, når lægemidlet binder til dets vigtigste target. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Marie Louise Gram og Mikael Bols, Kemisk Institut,

Chr. Hansen A/S, osteløbe og teknologispring

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi06. 10. 2025

– en virksomhed, der har en historie med mange facetter. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Kurt Jacobsen, dr.phil. Den 29. januar 2004 fusionerede de to danske virksomheder,

Vil du stå i spidsen for et af Danmarks ældste fagblade – Dansk Kemi søger ny redaktør

Aktuelt02. 10. 2025

Da vores redaktør, Hanne Christine Bertram, stopper, søger vi en redaktør til et af Danmarks ældste fagtidsskrifter, Dansk Kemi. Dansk Kemi bringer aktuel og dybdegående information om kemien og dens udvikling inden for industri, forskning og uddannelse. Bladet er desuden medlemsblad for Kemisk

Fra forskning i nanosikkerhed til mere sikker håndtering af nanomaterialer i arbejdsmiljøet

AktueltArbejdsmiljø/IndeklimaArtikler fra Dansk Kemi29. 09. 2025

NFA har udgivet en videnskabelig artikel om NFA's samfundsmæssige aftryk på kemiområdet. Den beskriver, hvordan forskning i nanosikkerhed er omsat til mere sikker håndtering af nanomaterialer på arbejdspladser i Danmark. Det skete i tæt dialog mellem forskere, Arbejdstilsynet og arbejdsmarkedets

Sulfitter. Sulfo. Sulfonater og sulfater. Sulfa. Sulfy. Sulfider. Sulfan

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi22. 09. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Hvad er fælles for indholdet af de to flasker på billedet? Der er svovlforbindelser i begge, og i begge giver de pågældende forbindelser lidt

Jubilæumsudgaven af Labdays i Aarhus er kommet godt fra start

BranchenytTop10. 09. 2025

Lige fra morgenstunden stod de første besøgende klar til at komme ind på LabDays messen, der i år afholdes i smilets by, Aarhus. Her kunne de finde oplagte udstillere, der gennem messens to dage står klar til at præsentere deres produkter, der inkluderer alt indenfor laboratorieverdenen. Der ud

Kvantealgoritmer og kemisk forståelse i åbne systemer

AktueltArtikler fra Dansk Kemi03. 09. 2025

Fra myten om den heroiske beregning til realistiske simuleringer af elektronoverførsel i åbne systemer med hukommelse. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Lea K. Northcote1,2 og

Grøn kemi, affald og plast

AktueltArtikler fra Dansk KemiGrøn omstilling26. 08. 2025

Grøn kemi – læren om hvordan kemi udføres bæredygtigt og sikkert – bliver kun vigtigere. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Christine Brænder Almstrup og Mikael Bols, Kemisk

Det gyldne mikrobiom: Tarmbakterier som kilde til det essentielle B-vitamin riboflavin

AktueltArtikler fra Dansk KemiBiokemiBioteknologiMedicinalkemi20. 08. 2025

Riboflavin er et essentielt vitamin, der spiller en nøglerolle for vores sundhed samt for at opretholde et sundt tarmmikrobiom. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Emmelie Joe

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    Alt hvad du skal vide, før du håndterer farlige stoffer

  • Holm & Halby

    Servicetekniker til LAF, sikkerhedskabinetter og renrum

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Øget produktivitet på mejeriet takket være vakuum fra Busch

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Du inviteres til den årlige Opentrons Super-bruger dag

  • Kem-En-Tec Nordic

    O2 and PAR loggers til miljøundersøgelser

  • DENIOS ApS

    Spar 432 kr* hver gang, du tømmer din IBC

  • MD Scientific

    Avanceret Dissolution Tester til pålidelig og effektiv analyse

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Efterårets IKA Specials – Rabatter til den kemiske industri

  • DENIOS ApS

    Sådan tjekker du, om dit lithiumbatteri er defekt – og udgør en brandfare

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Mød Busch Vacuum Solutions på DanFish International 2025 i Nordens Paris

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Både Techmedia og mange fagfolk vil savne Marianne Dieckmann

    15.10.2025

  • Er kokain protoneret, når det binder til dopamintransporteren?

    13.10.2025

  • Chr. Hansen A/S, osteløbe og teknologispring

    06.10.2025

  • Vil du stå i spidsen for et af Danmarks ældste fagblade – Dansk Kemi søger ny redaktør

    02.10.2025

  • Fra forskning i nanosikkerhed til mere sikker håndtering af nanomaterialer i arbejdsmiljøet

    29.09.2025

  • Sulfitter. Sulfo. Sulfonater og sulfater. Sulfa. Sulfy. Sulfider. Sulfan

    22.09.2025

  • Jubilæumsudgaven af Labdays i Aarhus er kommet godt fra start

    10.09.2025

  • Kvantealgoritmer og kemisk forståelse i åbne systemer

    03.09.2025

  • Grøn kemi, affald og plast

    26.08.2025

  • Det gyldne mikrobiom: Tarmbakterier som kilde til det essentielle B-vitamin riboflavin

    20.08.2025

  • Antibiotikaresistens i vores naturlige miljøer

    12.08.2025

  • Nye metoder giver indsigt i plantebaseret strukturdannelse

    04.08.2025

  • Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

    23.06.2025

  • Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

    17.06.2025

  • Trinatriumhexafluo… hvad for noget?

    09.06.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik