• 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

Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemiTop23. 06. 2025

Franz Hofmeister opløste æggehvide i vandige saltopløsninger. En artikel fra 1888 beskriver, hvordan nogle ioner får proteiner til at udfælde, mens andre ioner har den modsatte effekt. Fødevarekemien bruger stadig Hofmeister, men langt mere nuanceret. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3,

Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi17. 06. 2025

Hvis kløvergræs skal kunne anvendes som ny ressource til udvinding af fødevareproteiner, kan membranteknologi være vejen frem. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mette Lübeck, Mads

Trinatriumhexafluo… hvad for noget?

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi09. 06. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) I år fejrer man internt i IUPAC 20-året for offentliggørelsen af The Red Book (i det følgende blot "RB2005") med anbefalinger vedrørende

Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

AktueltArtikler fra Dansk KemiGrøn omstilling02. 06. 2025

Hvor rent er CO2 fra CO2-fangst? Og hvor dyrt er det at oprense CO2? Denne artikel giver indsigt i nogle af udfordringerne ved at implementere en global CO2 infrastruktur. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø26. 05. 2025

Kontinuerlige, kvalitetssikrede målinger af kemiske, fysiske og biologiske miljøparametre giver uundværlig information. Det gælder også for Grønland. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

AktueltAnalytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi19. 05. 2025

Advances in chemical ionization mass spectrometry can improve our understanding of atmospheric composition. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Varun Kumar, Institut for

Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

AktueltArtikler fra Dansk KemiBioteknologi14. 05. 2025

Oldgamle CO2-ædende mikroorganismer kan fange CO2 direkte fra skorstensrøg og omdanne kulstoffet til grønne molekyler. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mads Ujarak Sieborg1 og

Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

AktueltBranchenyt14. 05. 2025

Busch Group annoncerer, at deres brand centrotherm clean solutions bliver en del af Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions. Fra september 2025 vil gasreduktionssystemerne til Semicon-industrien, som tidligere blev tilbudt under dette mærke, blive integreret i Pfeiffer-porteføljen og fremover være

I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

Branchenyt14. 05. 2025

For blot fjerde gang i dette årtusinde uddeles Videnskabernes Selskabs Guldmedalje. Det sker i dag, hvor bakterieforsker Per Halkjær Nielsen, professor ved Institut for Kemi og Biovidenskab ved Aalborg Universitet, får den fine hæder for sit livsværk og sin holdånd. Han er manden, der kortlægger

Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø28. 04. 2025

Tilstedeværelsen af PFAS-forbindelser skyldes ikke kun lokale kilder, men de kan langtransporteres i luften til selv meget fjerntliggende arktiske egne. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





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

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    NYHED: Her er fremtidens opbevaring af farlige stoffer

  • Busch Vakuumteknik A/S

    MRPC modtager “Innovation in Vacuum Busch Award”

  • DENIOS ApS

    Dette er, hvad der sker, når batterier bryder i brand

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch Vacuum Solutions præsenterer den intelligente TYR PLUS kapselblæser

  • Dansk Laborant-Forening/HK

    Laboranter er nysgerrige på ny teknik

  • DENIOS ApS

    Sådan udnytter du den stille periode i sommerferien

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Sommer vedligeholdelsestips til din vakuumpumpe: 6 gode anbefalinger

  • DENIOS ApS

    Så er det sidste chance

  • DENIOS ApS

    Sikker tøndehåndtering starter her

  • LABDAYS – Fagmesse for Laboratorieteknik

    LabDays Aarhus 2025 – SOLD OUT

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • 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

  • Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

    02.06.2025

  • Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

    26.05.2025

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    19.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    14.05.2025

  • Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

    14.05.2025

  • I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

    14.05.2025

  • Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

    28.04.2025

  • Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

    21.04.2025

  • Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

    07.04.2025

  • En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

    01.04.2025

  • Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

    31.03.2025

  • Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

    31.03.2025

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