Simulação de processos de adsorção recorrendo ao Aspen Chromatography

As operações de separação por adsorção têm vindo a ganhar importância nos últimos anos, especialmente com o desenvolvimento de técnicas de simulação de leitos móveis em colunas, tal como a cromatografia de Leito Móvel Simulado (Simulated Moving Bed, SMB). Esta tecnologia foi desenvolvida no início dos anos 60 como método alternativo ao processo de Leito Móvel Verdadeiro (True Moving Bed, TMB), de modo a resolver vários dos problemas associados ao movimento da fase sólida, usuais nestes métodos de separação cromatográficos de contracorrente. A tecnologia de SMB tem sido amplamente utilizada em escala industrial principalmente nas indústrias petroquímica e de transformação de açúcares e, mais recentemente, na indústria farmacêutica e de química fina. Nas últimas décadas, o crescente interesse na tecnologia de SMB, fruto do alto rendimento e eficiente consumo de solvente, levou à formulação de diferentes modos de operação, ditos não convencionais, que conseguem unidades mais flexíveis, capazes de aumentar o desempenho de separação e alargar ainda mais a gama de aplicação da tecnologia. Um dos exemplos mais estudados e implementados é o caso do processo Varicol, no qual se procede a um movimento assíncrono de portas. Neste âmbito, o presente trabalho foca-se na simulação, análise e avaliação da tecnologia de SMB para dois casos de separação distintos: a separação de uma mistura de frutose-glucose e a separação de uma mistura racémica de pindolol. Para ambos os casos foram considerados e comparados dois modos de operação da unidade de SMB: o modo convencional e o modo Varicol. Desta forma, foi realizada a implementação e simulação de ambos os casos de separação no simulador de processos Aspen Chromatography, mediante a utilização de duas unidades de SMB distintas (SMB convencional e SMB Varicol). Para a separação da mistura frutose-glucose, no quediz respeito à modelização da unidade de SMB convencional, foram utilizadas duas abordagens: a de um leito móvel verdadeiro (modelo TMB) e a de um leito móvel simulado real (modelo SMB). Para a separação da mistura racémica de pindolol foi considerada apenas a modelização pelo modelo SMB. No caso da separação da mistura frutose-glucose, procedeu-se ainda à otimização de ambas as unidades de SMB convencional e Varicol, com o intuito do aumento das suas produtividades. A otimização foi realizada mediante a aplicação de um procedimento de planeamento experimental, onde as experiências foram planeadas, conduzidas e posteriormente analisadas através da análise de variância (ANOVA). A análise estatística permitiu selecionar os níveis dos fatores de controlo de modo a obter melhores resultados para ambas as unidades de SMB.

Abstract: The adsorptive separation operations have been gaining importance in recent years, especially with the development of column simulated moving bed techniques, such as Simulated Moving Bed (SMB) chromatography. This technology was developed in the early 60s as an alternative method to the True Moving Bed (TMB) process, in order to solve several problems associated with the solid phase motion, usual in these countercurrent chromatographic separation methods. SMB technology has been widely used at industrial scale mainly in the petrochemical and sugar processing industries and, more recently, in the pharmaceutical and fine chemical industries. In recent decades, the growing interest in SMB technology, due to the high performance and efficient solvent consumption, led to the formulation of different operation modes, known as non-conventional SMB techniques, obtaining more flexible units capable of extending further the technology range of application as well as its separation performance. One of the most studied and implemented processes is the Varicol process, which performs an asynchronous port movement. In this context, this work focuses on simulation, analysis and evaluation of SMB technology for two distinct separation cases: the separation of a fructose-glucose mixture and the separation of racemic pindolol. For both cases two SMB operation modes were considered and compared: the conventional mode and the Varicol mode. Thus, implementation andsimulation of both cases in process simulator Aspen Chromatography was performed by using two different SMB units (conventional SMB and Varicol SMB). For fructose-glucose separation, in regards to the conventional SMB unit modeling, two approaches were followed: a true moving bed (TMB model) and a simulated moving bed (SMB model). For the racemic pindolol separation the modeling was only performed by SMB model. In the case of fructose-glucose separation, it was also performed a further optimization of both conventional and Varicol SMB units in order to increase its productivities. The optimization was performed by design of experiments (DOE) where the tests were planned, conducted, and then analyzed through analysis of variance (ANOVA). The statistical analysis allowed to select the levels of the control factors in order to achieve improved results for both SMB units.