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Simulation

Das bringt Simulation im Bioprocess-Engineering

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Bei der Optimierung lag der Fokus nicht länger auf einzelnen Anlagen und Arbeitsschritten, sondern auf dem kompletten Prozess. Ein typisches Problem der Prozessoptimierung ist die große Menge an Parametern, die verarbeitet werden müssen. Im Beispielprozess waren das 19 verschiedene Parameter (z.B. Lösungsmittelmenge, Anzahl der Extraktionsschritte, Produktionszeit im Verhältnis zum Reinheitsgrad). Das Optimierungsmodul verwendete Berechnungstechnologien auf dem neuesten Stand, z.B. MILP, MINLP oder evolutionäre Algorithmen.

Optimaler Prozess möglich

Mit dem Ziel, diese Methoden auch für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) ohne aufwändiges Customizing nutzbar machen zu können, entwickelten die Dortmunder Forscher eine Frühphasen-Optimierungsmethode mit dem Arbeitstitel „Inosim Bio Optimierung“. Im Beispiel zeigte sich durch den Einsatz dieser Methode, dass von den 19 erfassten Parametern der Optimierung nur neun relevant für das Prozessverhalten waren. Anschließend wurde das Prozessverhalten mit der statistischen Response-Surface-Methode dargestellt. Darauf aufbauend wurde eine detaillierte Versuchsanordnung (DoE), die den kompletten Prozess umfasste, zu einem Polynom zweiter Ordnung simuliert. Aufgrund der Einfachheit dieses Polynoms ließ sich anschließend mit grundlegenden mathematischen Operationen der optimale Prozess ermitteln. Verglichen mit anderen Berechnungsmethoden (manuell, „Monte Carlo“, evolutionäre Algorithmen) erzielte die Vorgehensweise „Inosim Bio“ dabei die effektivste Optimierung.

Fazit: Der von den Dortmunder Forschern entwickelte, simulationsbasierte Ansatz zur Bioprozess-Synthese erwies sich als geeignet, in relativ kurzer Zeit ein verlässliches, nachhaltiges und optimiertes Aufreinigungsverfahren für LifeScience-Prozesse zu erzeugen.

Die Ergebnisse des Praxistests sind bereits in die Entwicklung der Inosim-Software eingeflossen. Nachdem verschiedene Pilotprojekte mit kleineren Partnern bereits erfolgreich abgeschlossen wurden, soll im nächsten Schritt die neue Methode zusammen mit der aktualisierten Simulations-Software in einem größeren industriellen Prozess erprobt und bewertet werden.

Der Beitrag basiert auf einem Referat von Katrin Sulzbacher, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik (Bio- und Chemieingenieurwesen) der TU Dortmund, gehalten auf der PROCESS Management Academy (PMA) 2012. Weitere Informationen und Beiträge zur PMA finden Sie auf hier.

* Der Autor ist Technischer Redakteur der INOSIM Consulting GmbH, Dortmund.

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