Chiral separation by simulated moving bed chromatography

Abstract

The general objective of this work is the study of the behaviour of the Simulated Moving Bed (SMB) processes, with applications to chiral separations. Briefly, SMB chromatography allows the continuous injection and separation of binary mixtures. The simulated countercurrent contact between the solid and liquid phases maximizes the mass transfer driving force, leading lo a significant reduction in mobile and stationary phases consumption when cornpared with elution chromatography. The problem of modeling a SMB separation process is analyzed by two different strategies: one, by simulating the system directly, taking into account its intermittent behaviour (the SMB model); other by representing its operation in terms of a true countercurrent system (TMB model). From the comparative study, we conclude that the prediction of the performance of a SMB operation, and so its flow-rate optimization, can be safely done by using the TMB approach. The effect of the model parameters and operating variables on the SMB performance is analyzed in terms of four parameters: purity, recovery, solvent consumption, and adsorbent productivity. This work shows the influence of the switch time interval, recycling flow-rate, and inlet and outlet flow-rates. Also studied is the influence of axial dispersion and mass transfer resistance on the 8MB performance. We conclude that the mass transfer resistance can reduce significantly the possible set of operating conditions that lead to the desired separation. Moreover, mass transfer resistance can affect the SMB operating conditions, being this influence emphasized when a higher purity requirement is desired. The experimental operation of a Simulated Moving Bed unit was implemented in a Licosep 12-26 SMB pilot unit (Novasep, France), available at the LSRE. Two chiral systems were considered: the bi-naphlhol and the chiral epoxide enantiomers. For the bi-naphthol system purities and recoveries higher than 95% were obtained for both extract and raffinate with an adsorbent productivity of 68 grams of racemic mixture processed per day and per liter of bed. The solvent consumption was 1.2 liter per gram ofracemie mixture processed. For the chiral epoxide system, a first set of experimental runs Ied to purities and recoveries higher than 90%. A productivity of 52 grams of racemic mixture per day and per liter of bed was achieved, with a solvent consumption of 0.4 liter of mobile phase per gram of racemic mixture processed. In a second seI of experimental runs, we obtained 98% pure extract and raffinate, with a productivity of 34 grams per day and per liter of bed, and a solvent consumption of 1.3 liter per gram. The experimental results obtained in the Licosep 12-2 6 SMB pilot unil are reported in terms of process performance, steady-state internal concentration profiles, and transient evolution of the concentration of both species in the extract and raffinate streams. The simulation packages developed in this work are used lo predict the SMB behaviour in reasonable agreement with the experimental results.

O objectivo deste trabalho consistiu no estudo do processo de leito móvel simulado (Simulated Moving Bed, 8MB) com aplicações a separações quirais. Resumidamente, a cromatografia de SMB permite a injecção e separação contínua de misturas binárias. A simulação do contacto em contracorrente entre as fases sólida e líquida maximiza a força motriz de transferência de massa, permitindo uma diminuição significativa do consumo das fases móvel e estacionária comparativamente com a cromatografia de eluição. O problema da modelização de um processo de separação por SMB foi analisado recorrendo a duas estratégias alternativas: uma, por simulação directa do sistema, levando em consideração o seu comportamento intermitente (o modelo 8MB); a outro por representação da sua operação em termos de um sistema equivalente em contracorrente (o modelo TMB, True Moving Bed). Por estudo comparativo destas duas estratégias concluiu-se que o desempenho da operação do 8MB, e assim a optimização das suas condições de operação, pode ser avaliada de forma segura por utilização do modelo TMI3. A influência dos parâmetros do modelo e das variáveis de operação no desempenho do 8MB foi analisada recorrendo a quatro parâmetros: pureza, recuperação, consumo de solvente e produtividade do adsorvente. Este trabalho mostra o efeito do período de rotação, caudal de reciclo e caudais de entrada e saída. Foi também estudada a influência da dispersão axial e resistência à transferência de massa no desempenho do 8MB. Concluiu-se que a resistência à transferência de massa pode reduzir significativamente o domínio de condições de operação que permitem uma desejada separação. Mais, a resistência à transferência de massa pode alterar as condições óptimas de operação do 8MB, sendo esta influência particularmente importante quando se pretendem purezas elevadas. A operação experimental de um leito móvel simulado foi efectuada na unidade piloto de 8MB Licosep 12-26 (Novasep. França), disponível no LSRE. Foram estudados dois sistemas: a separação de enantiómeros do bi-naftol e de um epóxido quiral. Para o sistema bi-naftol, foram obtidas purezas e recuperações superiores a 95% no extrato e refinado. A produtividade do adsorvente foi de 68 gramas de mistura racémica processada por dia e por litro de leito, sendo o consumo de solvente de 1,2 litros por grama de mistura racémica processada. Para o sistema do epóxido quiral, um primeiro conjunto de experiências conduziu a recuperações e purezas superiores a 90%. A produtividade do adsorvente foi de 52 gramas de mistura racémica processada por dia e por litro de leito, com um consumo de solvente de 0,4 litros por grama de mistura racémica processada. Num segundo conjuntas de experiências foram obtidas purezas de 98% para extracto e refinado, com uma produtividade de 34 gramas por dia e litro de leito e um consumo de solvente de 1,3 litros por grama. Os resultados experimentais obtidos na unidade piloto de 8MB Licosep 12-26 foram representados em termos do desempenho do processo, perfis internos de concentração e evolução transiente da concentração de ambos os componentes nas correntes de extrato e refinado. O simulador desenvolvido neste trabalho foi utilizado na previsão da operação do 8MB, em concordância razoável com os resultados experimentais obtidos.

Le but générique de ce travail est l’étude des procédés à Lit Mobile Simulé (Simulated Moving Bed, 8MB), avec des applications à la séparation de composés chiraux. En bref, la chromatographie à 8MB permet l’injection continue et la séparation de mélanges binaires. Le contact à contre-courant simulé entre les phases solide et liquide rend maximale la force directrice de transfert de masse, conduisant à une réduction appréciable de la consummation des phases liquide et solide en comparaison avec la chromatographie d’élution. Le problème de la modélisation d’un procédé de séparation à 8MB est attaqué selon deux stratégies différentes: l’une, fondée sur la simulation directe du système, en tenant compte de son comportement intermitant (le modèle 8MB); l’autre, partant de la représentation de son opération en tentes d’un vrai système à contre-courant (le modèle TMB, True Moving Bed). D’après une étude comparative, nous sommes arrivés à conclure que la prévision de la performance d’une opération SMB, et donc son optimisation par rapport au débit, peut être faite en sécurité avec l’approche TMB. L’effet des paramètres du modèle et des variables opératoires sur la performance du 8MB est discutée selon quatre paramètres la pureté, le taux de récupération, la consommation de solvant et la productivité de l’adsorbant. Ce travail montre l’influence de la période de rotation, des débits de recyclage, d’alimentation et de soutirage. L’influence de la dispersion axiale et de la résistance au transfert de masse sur la performance du 8MB sont également étudiées. Nous concluons que la résistance au transfert de matière peut réduire significativement le domaine de conditions opératoires ou l’on obtient la séparation souhaitée. En plus, la résistance au transfert de matière peut changer les meilleures conditions d’opération à 8MB, et cet effet est particulièrement important lorsqu’on exige une plus grande pureté. L’opération expérimentale d’une unit6 à 8MB a été menée à bien avec un système pilote Licosep 12-26 (Novasep. France), installé au LSRE. Deux systèmes chiraux ont été choisis: le binaphtol et les énantiomères d’un epoxide chiral. Pour le binaphtol, des puretés et des taux de récupération au dessus de 95% ont été obtenus tant pour l’extrait que pour le raffiné, avec une productivité de l’adsorbant de 68 grammes de mélange racémique par jour et par litre de lit. La consoinfl1atioht de solvant a été de 1,2 litres par gramme de mélange racémique processé. Pour l’epoxide chiral, un premier ensemble d’essais a conduit à des puretés et des taux de récupération au dessus de 90%. La productivité de 52 grammes de mélange racémique par jour et par litre de lit a été atteinte, avec une consommation de solvant de 0,4 litre de phase mobile par gramme de mélange racémique traité. Sur un deuxième groupe d’essais, nous avons réussi à atteindre des extraits et raffinés purs à 98%, avec une productivité de l’adsorbant de 34 grammes par jour et par litre de Itt, et une consommation de solvant de 1,3 litres par gramme. Les résultats expérimentaux obtenus sur le 8MB LicoseP 12-26 ont eté rapportés en tentes de la performance du procédé, des profils de concentrations internes dans l’état stationnaire et de l’évolution transitoire de la concentration de toutes les deux espèces aux courants d’extrait et de raffiné. Les paquets de simulation développés pendant cc travail ont été utilisés pour la prévision du comportement du 8MB avec un accord raisonnable avec les données expérimentales.