Optimisation of preparative chromatography processes, application to the multicolumn continuous Varicol process
Optimisation des procédés de chromatographie préparative, application au procédé multicolonne continu Varicol
Résumé
A new continuous chromatographic process is presented. The basic principle of the new Varicol process is based on a non-synchronous shift of the inlet/outlet valves in a multicolumn system, in contrast to the known Simulated Moving Bed (SMB) process which employs a synchronous shift of inlet/outlet lines. The optimized operating conditions of a chromatographic process are difficult to estimate, since a large number of parameters are involved. A numerical optimization method is proposed to compare the performances of the classical chromatographic processes batch and SMB with the new Varicol process. A similar approach is used to optimize the operating conditions for these three processes. In a first part, a numerical example is considered. The influence of relevant parameters are presented for both batch and SMB processes : influence of the column length, influence of the packing particle size and influence of the recovery for the target compound. The selected objective function has a significant influence on the optimized process design. A detailed optimization is then performed to optimize the design of the new Varicol process in order to optimize the column distribution in the four zones of the process. Performances of both SMB and Varicol are compared for a 6-columns configuration. This numerical study shows the high flexibility of the Varicol process, which leads to a cheaper separation cost compared to the SMB process. In a second part, the separation of a racemic mixture of 1, 2, 3, 4-tetrahydro-1-naphtol is studied on a 5-columns continuous system. Both SMB and Varicol processes are compared. The obtained productivity is significantly higher with the Varicol process compared to the SMB process. The eluent consumption is also reduced. This experimental result confirms the conclusions of the numerical study : due to its high flexibility, the separation cost can be reduced, using the Varicol process.
Un nouveau procédé chromatographique continu est présenté. Le principe du nouveau procédé Varicol est basé sur une commutation asynchrone des vannes d'alimentation et de soutirage d'un système multicolonne, contrairement au procédé connu de Lit Mobile Simulé pour lequel les lignes sont commutées de manière synchrone. Les conditions opératoires optimales d'un procédé chromatographique sont délicates à estimer étant donné le nombre élevé de paramètres impliqués. Une méthode d'optimisation est proposée afin de comparer les performances des procédés chromatographiques classiques d'élution et le Lit Mobile Simulé avec le nouveau procédé Varicol. Une approche similaire est utilisée pour optimiser les conditions opératoires de ces trois procédés. Dans une première partie, on compare les performances des procédés à partir d'un exemple numérique. L'influence des paramètres clés sont présentés pour le procédé d'élution et le Lit Mobile Simulé : influence de la longueur de colonne, de la taille de particule du support chromatographique et du taux de récupération du produit cible. On montre également l'influence significative de la fonction objective sélectionnée sur le dimensionnement du procédé. Une optimisation détaillée du nouveau procédé Varicol est alors réalisée en optimisant la distribution des colonnes dans les quatre zones du procédé en fonction de l'objectif choisi. Cette étude numérique met en évidence la flexibilité du procédé Varicol, qui permet d'obtenir des coûts de séparation inférieurs au lit Mobile Simulé. Dans une seconde partie, la séparation d'un mélange racémique de 1, 2, 3, 4-tetrahydro-1-naphtol est étudiée sur un système continu à 5 colonnes. Les deux procédés Varicol et Lit Mobile Simulé sont comparés. La productivité obtenue est nettement supérieure avec le procédé Varicol ce qui permet également de réduire la consommation d'éluant. Ce résultat expérimental permet de confirmer les conclusions de l'étude numérique : la flexibilité du procédé Varicol permet de réduire le coût de purification par rapport au Lit Mobile Simulé.