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Simulation

Das bringt Simulation im Bioprocess-Engineering

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Simulieren geht über probieren

Als Aufreinigungsziel wurde folgende Spezifikation formuliert: Gewinnung von Baccatin III und 10-Deacetylbaccatin aus extrazellularen Ausgangsstoffen, dabei Entfernung von Verunreinigungen (Wasser, Zellen, Zellrückstände, Nährstoffe, unerwünschte Arten von Taxanen). Angestrebt wurde ein 99-prozentiger Reinheitsgrad der Zielkomponenten.

Der erste Aufreinigungsentwurf wurde der Literatur entnommen und anschließend mit Simulations-Software modelliert, um eine erste Massen- und Energiebilanz zu erhalten. Allerdings stellte sich heraus, dass der Literaturprozess auch nach Modifikationen für den industriellen Maßstab nicht zu gebrauchen war.

Mit heuristischen Verfahren ermittelten die Dortmunder Forscher eine Rangliste verschiedener Trennverfahren mit Reinheitsgraden des gewünschten Produkts, die im Labor mit zwei hintereinander geschalteten Experimentalphasen untersucht wurden. Der so ermittelte Prozess-Vorschlag ließ bereits grobe Aussagen über den erreichbaren Reinheitsgrad sowie die Ausbeute zu und wurde zur weiteren Analyse Grundlage für das Simulationsmodell, das am PC detaillierter dargestellt wurde.

Abbild des kompletten Trennprozesses

Fermentation, Ad-/Desorption und Extraktion wurden – analog zur industriellen Produktion – in je eigene Bereiche eingeteilt. Für jeden dieser Prozessbereiche wurde mithilfe von Standardbausteinen der Simulations-Software (z.B. Tank, Mixer, Zentrifuge) per Drag-and-Drop ein Verfahrensfließbild erstellt. Mithilfe des Rezepteditors wurde jeder abgebildeten Anlage ein Rezept mit den Arbeitsanweisungen zugeordnet. Am PC war danach ein dynamisches Abbild des kompletten Trennprozesses und jeder beteiligten Komponente zu sehen.

Die anschließenden Simulationsläufe lieferten ein detailliertes Bild des Trennprozesses und realitätsnahe Voraussagen über die Ausbeute des Trennprozesses, dessen Ressourcenverbrauch und die entstehenden Kosten. Auch die Dynamik des Prozesses, das heißt die Entwicklung von Ausbeute und Produktreinheit über die verschiedenen Bereiche, wurde durch die Simulation transparent. So zeigte sich im Beispiel, dass die frühen Stadien des Trennprozesses noch Verbesserungspotenzial enthielten. Um diese Potenziale auszuschöpfen, verwendeten die Prozessentwickler das Optimierungsmodul der Simulationsanwendung.

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