entwicklung und anwendung eines hybriden modells zur optimierung von wärmetauscherprozessen

2
intensive Verzahnung von Discovery, Entwicklung und Pro- duktion reduziert werden. Weiterhin sollen die Bulk Drug Synthesis (BDS)-Kosten gesenkt sowie komplexe Synthese- strategien mit gefährlichen oder toxischen Chemikalien ver- mieden werden. Durch groûe Anstrengungen im Bereich der Drug Discovery in den vergangenen Jahren befinden sich zur Zeit eine Vielzahl von Entwicklungskandidaten aus unterschiedlichsten natürlichen und synthetischen Quellen in der Pipeline. Damit sind in den kommenden Jahren be- sondere Herausforderungen an die Verfahrenstechniker in der Pharmaindustrie abzusehen. Insbesondere die Produkt- aufarbeitung durch thermische Trennverfahren und hierbei insbesondere die präparative und Prozess-Chromatogra- phie sind in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen. Wesentlicher Vorteil dieser Verfahren ist ihre ge- nerische Auslegung, ihre gute Skalierbarkeit sowie die mitt- lerweile zuverlässige Simulation und Modellierung. Anhand von Beispielen aus verschiedenen Ein- satzbereichen in Bezug auf Gröûe und Molekülklasse wer- den Ansätze zur schnellen und zielgerichteten Prozessent- wicklung neuer Pharmawirkstoffe aufgezeigt. Stand und Bedarf der thermischen Trennopera- tionen werden im Hinblick auf die individuellen Randbedin- gungen der verschiedenen Industriezweige in den Life Sci- ences systematisiert und diskutiert. Lebensmittelverfahrenstechnik F.06 Entwicklung und Anwendung eines hybriden Modells zur Optimierung von Wärmetauscherprozessen Dipl.-Ing. R. Benning* 1) E-Mail: [email protected] Dipl.-Math. H. Petermeier 1) Prof. Dr.-Ing. A. Delgado 2) Prof. Dr.-Ing. J. Hinrichs 3) Prof. Dr.-Ing. U. Kulozik 4) Dr.-Ing. habil. T. Becker 2) 1) TU München, InformationsTechnologie Weihenstephan, Am Forum 1, D-85350 Freising-Weihenstephan; 2) TU München, Lehrstuhl für Fluidmechanik und Prozessautomation, Weihenstephaner Steig 23, D-85350 Freising; 3) Universität Hohenheim, Institut für Lebensmitteltechnologie, Garbenstraûe 25, D-70599 Stuttgart; 4) TU München, FML-Weihenstephan, Lehrstuhl für Lebensmittelverfahrenstechnik, Weihenstephaner Berg 1, D-85354 Freising. Eines der gröûten technologischen und wirtschaftlichen Probleme in der thermischen Haltbarmachung von Lebens- mitteln ist das Auftreten von Fouling, der Bildung uner- wünschter Ablagerungen auf der Wärmetauscheroberflä- che. Dieser Vorgang beeinflusst nicht nur den Vorgang an sich negativ, sondern auch die Qualität des Lebensmittels. Das angesprochene Problem tritt in hohem Maûe bei der Herstellung haltbarer Milch auf. Da auch unter Einfluss des Fouling der Prozess bis zum Beginn der Reinigung weiter- laufen soll, muss dies schon bei in der Auslegungsphase be- rücksichtigt werden, damit ein ausreichender Wärmestrom aufrechterhalten werden kann. Wird das Fouling nur empi- risch berücksichtigt, führt das zu einer Überdimensionie- rung des Wärmetauschers. Durch Kombination eines ma- thematischen Modells mit fuzzifiziertem Expertenwissen lässt sich das Verhalten eines Wärmetauschers genauer be- schreiben und das Design vereinfachen. Somit kann die Standzeit einer Anlage durch eine Optimierung verbessert werden, ohne kostenintensive Labor- oder Pilotversuche durchführen zu müssen. Das im Rahmen des vorgestellten Projektes ent- wickelte Modell wurde dazu eingesetzt, die Leistung ver- schiedener Wärmetauscherkonfigurationen zu simulieren und mittels technologischer Parameter, wie Druckdifferen- zen, Wärmeübergangskoeffizienten und qualitätsbeschrei- bender Gröûen, z.B. B*- und C*-Wert, zu bewerten. Zur Vorgehensweise gehörte es, einen gegebenen UHT-Prozess in einzelne Sektionen aufzuteilen und diese isoliert zu modifizieren. Vorteilhafte Modifikationen wurden dann nochmals im Rahmen des gesamten Anlagenmodells untersucht. Es zeigte sich, dass in manchen Fällen Verbes- serungen, die innerhalb einer einzelnen Sektion gute Er- gebnisse zeigen, im Zusammenhang mit weiteren Anlagen- teilen geringere Potenziale aufweisen. Das liegt unter anderem daran, dass durch das Gegenstromverfahren der betrachteten Anlage ¾nderungen über den Wasserkreislauf auch an vorgelagerte Sektionen übertragen werden können. Abbildung. Zwei unterschiedliche Vorerhitzer-/Haltesektionen. Wärmetauscherrohre sind grau, Halterohre weiû dargestellt. Links ist die Referenzkonfiguration Wärmetauscher ± Wärmetauscher ± Halterohr gezeigt, rechts die Modifikation Wärmetauscher ± Halterohr ± Wärmetauscher. Ein ausgewähltes Beispiel ist die Vorerhitzer- Sektion einer UHT-Anlage. Milch und Heiûwasser strömen im Gegenstrombetrieb durch einen Röhrenwärmetauscher, wobei das Wasser die Milch auf eine konstante Austritts- temperatur erwärmt und für eine definierte Zeit in einer 1072 Chemie Ingenieur Technik (75) 8|2003 Life Sciences

Upload: r-benning

Post on 11-Jun-2016

215 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Entwicklung und Anwendung eines hybriden Modells zur Optimierung von Wärmetauscherprozessen

��������� ������� ��� ���������� ���������� ��� ����������� �������� ������� ��������� ������ ��� ���� ��� ��������� ������ ����� ������ ����� ��!"��#� �������������� ��� !�� �$%�������� ���� ��#������ &��!������ ����!����� ������� ����� ��'� (������ �� �� �! ���������� ��� ��������� �� ��� ��� � ���� )���� *�$��������� �� +��� ���� ������ ��� ���������� ��������� ��������������������� ��,������� ��� ������������� -�������� ��� ��"������ �!�� ���� �� ��� ��!!����� )���� *��������� .����$������� �� � ��� ���$�������������� ����� ���!��������� *������� /��*�������� ��� ���������$�*����� ����� ����!����� 0�������$���� ��� ����*�����*�������� ��� "�%"����� ��� �������&���!�� ��"��� ���� �� ��� 1 �� ����� (�$������� �� � ��$,�����

������������ ������� ������ ���$���� ��� ���� ���������� (���� �� � ���� ��� ������*����� ����� ��� !������������ �����%��� � ��!������ ��� 2���������� �

(���� ��� ����"����� �� ������������� ������*�������� �� ��� �$ 3�4'� ��� 2����,������ ������� (��%�� �� ��������� ��� ��� ���������� ����������������� ����� ���!�������$$� �$ ��� ��

���� ��� ����$ ��� ����!������ 0�����"��������� ������ �! .��*���� �$ ��� ������������� 5��*����� �� �� ��� ������������� /����������� � �� ��� 1�$� ��������� �����!������� ��� �����������

�������������� ����������������

��������� �� ��� ��� �� ������� � ��� ��� �� ������ ����� ���� ����� ����� �� �

� � � � � � � � ! � " � � � � # $ %

��2��6 ��*����� 7�����!���

� � � � � � � � � � � & � ' � � � � � $ %

' � � ( � � �� � � � � � � � � � � ) %

' � � ( � � �� � � � * � & � � � � � � � + %

' � � ( � � �� � � � ,� - � � � � � . %

� �� � � � � � � � � � /� " � � � ) %

8� 09 2,������ /�$��!�����0������� �� ���������"���(! :���! 8� ��;<=<> :������ ����������"��?

@� 09 2,������ 1�������� $,� :����!������ ������������!����� ���������"���� ���� @=���;<=<> :������ ?

=� 9��������%� .�������!� /������� $,�1�*���!������������� ��� 3�*�����'� @<���A><BB ����� ��?

C� 09 2,������ :21����������"��� 1�������� $,�1�*���!��������$������������� ���������"���� ��� 8���;<=<C :������ �

����� ��� �4'��� �������� ������ ��� �������$����������*��!� �� ��� ����!������ .��*�!���� ��� 1�*����!������ ��� �� (�$������ ��� :����� � ��� ������ ������,������� (*� ���� �� �$ ��� �%�!���������*��$�%����� ������ ��� � *����$����� ����� ��� ��� ��� � ����� �� ���� ������� ��� ��� -����%� ��� 1�*���!��������� � ��"������� ���*��! ����� �� ����! 2'� *�� ���.��������� ���*��� 2���� �$� � ��� ����� ���$���� ���:����� ��� ������ *�� �! �� ��� ��� 5���� �� ���������$�� ����� !��� ���� ����� *�� �� ��� (���� �� �"��� *���,�������� � ������� �!�� ��� ������������ �%�!�����!�$������������ ������ ���� ���� �� :����� ��� �!"������� *��,�������� �� $,��� �� � ����� D*����!������������ ��� �%�!���������� ����� �!*������ ����� !����!������� 2������ !�� $��$������! �#"������������%��� ���� �� �������� ����� �%�!��������� ����� *��������*�� ��� �� ���� � ������$����� ��!�� ��� ���������� ����� (�� � ����� ���� E"��!����� ���*������������� ���� ��������������� 1*��� ���� ������������������$,���� � !,�����

�� �! 5�!�� ��� ��� ��������� ���F����� ������������ 2����� ����� �� ��� ������ ��� 1������ �������������� �%�!�����������$� �������� � ��!���������� !������ �������� ������ ��!����� ��� �������$$�������� �%�!�,*�� � ����$$������� ��� G����%��*��������*����� 3�4'��� � �� �H� ��� &H������ � *��������

+�� ��� ���������� ��4��� ��� ����� � �*����9.0������� �� ������� ��������� �$������� ��� ������������� � !���$������� ��������$�� 2���$�������� ��������� ����!�� �! 5�!�� ��� ��!��� (�� ��!����������������� �� �� �� ����� ��� �� !����� :%���� ���*�������� ��� ��� �������* ����� �������� ������� ��� ��� �*����� �� ��� �! +��!!���� !�� �������� (�� ��������� ���� ��� �������� �$������� �� ��� � ����������! ���� ��� ����� �� 3� ������!���$���� ���*���������� (�� � I������ �� ,*�� ��� ������������$��� � ��� �� ���� ��������� ,*���� �� ������ �4�����

������������� ��������� ��� ��������������� ��������������������������� ��� ����� �� ������� ���� ������� ������ �� ��� ��������������������� ����������� ����������� �� ������ �������� ���� ��� !���������������������� �� ������ ������������

��� �� ��%����� ����"��� ��� ��� ������������������ ����� 9.0�(�� �� 2���� ��� .��'����� ���4!���! 3� ������!*�����* ����� ����� 54�����%�!�����������*�� �� ����� ��� 2���� �$ ���� �������� (�����������!"����� ���%�!� ��� $,� ���� ��$������� +��� �� �����

8>A@"����� #�������� $����� %&'( � � ����

� � � � � � � � � � � �

Page 2: Entwicklung und Anwendung eines hybriden Modells zur Optimierung von Wärmetauscherprozessen

.��'����������� �$ ������ 0�!"����� ������ ����� +��������� ������� ��� ��� ����� 2' � ������������������ �� ��� :�,��� ����� ���� (�� ���� �$ ��� �%�!����������*��$�%���� 2�� .��$� ��� ��!������ ������ ��� �������� ��� ��� �������� �� ��� 0�!"����� ����� ���������*�� ��� .����������� ��� �! ���� �� �������� ��� ���'�! ������� ����

����

���(��� ��� ���� (�� ����� �� ��( �� ! ��������������� ��� ��� ����� ���0�� � (1� ����� �

� � � � � � � � 2� 3 � 3 � � � # $ %

��2��6 ������� ����7�������������������

� � � � � � � � � � - � - � � � ) %

� � � � � � � � 4� � � � 1 � � � ) %

' � � ( � � �� � � � � �� � � �� � � 5 � 6� 6 � � 7 $ %

8� 9��������%� �������� /������� $,� 1�*���!���������$������������� :����.*����� @� ��AJ8=8 �������?

@� ������$������� ������ $,� ���%���� � /������� $,����$������������� .�������K������'� B� ��AJ8=8 ��������

-����%����������������� �� �%����� ��� 1 ���� ���$ ��$������� �������� ���� �� ��� 5� �� �$ ��� ��� �4*���� ��� ���������� �$, �� �5��������������� ��,���$,���������� ���� �� 1�*���!������ ��� :������� :����� E*�� ���3�!,��� ��� ���! *�� *�� ������! �������� � ������!�! �$������� +����� ������� ����� $,��� ��� ��� �4'����� ��� ����������� ���� ���*�������� �� �������%����� �� ��� ������������ -����%�� (�'����! ���� ��� .���*����� ��� ���$ �$������� 2������ ���!��� +������E� ��� ��� ������������� ������ ����

0���*���� �$� ��� 5�������������� ���� �������!"$"��������������������� �������* ��� �$�������� 2���#� :�,���� 9���������� �� �� ���� ��� ���5���������������"����� ����� �������� �� ��� 1 ����!�"����� ��� ����� ���!����� ��� 0�!"�������������� �� *�� ��� 1 ���� ����� �!� ������ ���� /! :�� ���������! ��� ��� ����� +� *� ��� ��*�������� ���$$���! ������!!�# ��� 5���������������"����� ����� �!�������� ��� ����� (��� �� ���!������� ��� 5����������������"������� ��� ��� +� *� ��� (��� �$����"�������������� *������ ��� �����������*��$�%���� ��� ���������������� ������ �� (�� ��� �� ��� �� (* �*�� ��������!����,��� ! ����������� (��� �$����"������� �(:�������� ��� �� ����������� :������ ���������

9! �� ������� ��� ��������� ��� (:� �����$ �$������� 1�*���!������ � "�,$��� ����� ���� �������������������!!���� ������ �� +������4��� �� �� 2�����������! ����������� ��� +������4��� �� ������ ���������������� (��� �$����"������� �(:�/� (:�///� (:3����� ����� 2������ �� � ������ ��� ����������� �� ���

2������4��� �� ������ !�� ����! ���"����������!��������" �$ ���!!�� ��� !�� .��$� �� ����� ��������� ����!������

���������)������ � �� *������ +����� ��� ��� ����� ,��-����������.�������� ��� ��������� ���� ������������

1 µg/mL AFP III nach 70 hOhne Zusatz nach 70 hje 0,5 µg/mL AFP III und

AFGP nach 336 h

��� �� �*����� �� ��� ��� ��� ��� ������� (:������ *�� ����� ���������� ��� >�>>>8 L ���� �������������������!!���� ������ *������� ��� ��� � �� ��� .��������������� ��� �� ������! ��� ����� ������� ����� ���%����� �������� ����� ��� ����������� ������ F� �������������! (:� �� *����� �� 5������ ��� ������� ����� �� ����$4�!� � ������� *����� �4����� ���� ��� �$ ����"��$����� (�� ���� ��� (:�� ��� 3������*���� �! ����������� ��,���$,����� �� ����� �'����! $��� ����������� �$ ���� ��� �"��$������ (�� ���� 2������ ����� (:� !�� ����������������� *����� ��� (�� ���� ���*���� ���� �����!�� ���� �� ��� ��������� ��� �����(:��0�"��

����

��������� 8 ��� � ��� ������ � 5 � ������ ����� �� ��

� � � � � � � � "� " � � � � � � � � . %

� �� - � & � � � � � � ) %

� �� ,� 6 � � � + %

� �� - � 4� � � � $ %

5 � � 9 � � � 4� - � � � � � � $ %

' � � ( � � �� � � & � ! � � � � � # $ %

��2��6 �����!�����7���������

8� ��������� /������� $,� 1�*���!������������ ����� ����$��88J<� ��CBJ>8 -����*�,��?

@� ������:����� ����$�� 8@<=� ��CBJ8B 14��� ��?

=� ��� (� ��� E����� K���� �!����� 3� (�����1��*�������'� 8>>� ��==JCA �����$���?

C� ����� 5� K������ M� ��� :��� (3� /�����������'� =J�C>� ��C8CJ> K�����

(����!��� ��� �� ��� �������$$���������� *�������2���!��� ��� ���� ("��� @>>@ ��� ����� ���*��! $,� ��� 1��*���!��������������� �� *����� ���� �� ��,������� 1�*����!��������������$$�� *�� �4����� 0�!"������� �N8>> O&�

� � � � � � � � � � � � 8>A="����� #�������� $����� %&'( � � ����