Extraction par Solvant et Réactif

L'extraction par solvant est une étape de séparation typique, par exemple dans les traitements en aval du bouillon de fermentation, pour la production alimentaire et pharmaceutique, dans l'industrie minière, ainsi que dans les procédés chimiques en général. L'objectif scientifique de notre travail est la description de la performance des colonnes d'extraction basée sur l’étude des gouttes individuelles avec l'outil de simulation ReDrop. Des bonnes compétences ont également été développées sur le choix et l'optimisation des agents d'extraction pour une tâche de séparation donnée, en particulier des produits issus d'un bouillon de fermentation.

Le programme ReDrop simule des colonnes d'extraction en suivant un ensemble de gouttes individuelles le long de leur trajectoire à travers la colonne. L'idée de base est que la colonne est correctement décrite, si seulement le comportement des éléments de transfert de masse, c’est-à-dire les gouttes, est bien représenté par rapport aux quelques phénomènes sous-jacents, à savoir la sédimentation, la rupture, la coalescence, le transfert de masse, la réaction, et la dispersion axiale. Les paramètres pour les modèles décrivant ces phénomènes sont obtenus à partir d'expériences de laboratoire normalisées avec des gouttes individuelles des liquides étudiés.

Dans ces expériences clairement définies, les propriétés spécifiques du système réel sont évaluées, y compris toutes les influences perturbatrices, par exemple les impuretés. Sur la base de ces données, le comportement de la colonne d'extraction peut être prédit avec précision en utilisant des modèles appropriés.

Dans le passé, ReDrop a été validée pour prédire le comportement des systèmes d'extraction industrielle dans une variété de colonnes pulsées. L'exactitude de la prédiction est inférieure à 10%. Comme succès remarquable du concept de modélisation basé sur les gouttes, la limite d’engorgement de la colonne peut également être prédite de façon cohérente sans aucun élément de modèle supplémentaire spécifique - ce qui serait conventionnellement nécessaire. L’engorgement est généralement prédit au mieux à 10%.

Au groupe PEPs, ReDrop est développé plus loin, afin d'étendre le domaine d'application. Un but est de permettre l'application de ReDrop pour de nouvelles géométries de colonnes, par exemple en utilisant des résultats de simulation CFD en coopération avec Dominique Toye pour estimer les paramètres des modèles implémentés et la validation avec trajectographie. Un autre domaine de recherche est l'extension et l'optimisation de modèles des gouttes, tels que les modèles de sédimentation ou de rupture et de coalescence. Ceci améliore l'estimation des paramètres et élargit le champ d'application de ReDrop. En mettant en œuvre de nouveaux modèles appropriés, il sera possible de simuler des systèmes à haute viscosité, qui présentent un intérêt particulier pour la bio-chimie.

Les domaines d'application sont par exemple l'extraction in-situ de composants fonctionnels à partir du bouillon de fermentation dans le développement d'une plate-forme pour la conversion de matériaux biodégradables abordables et accessibles, la conception basée sur la connaissance d'extracteurs pour lixiviation et phyto-extraction et l'extraction et la purification de composants bioactifs avec des systèmes aqueux biphasés (ATPS).

Un domaine d'expertise particulier est l'analyse expérimentale basée sur des modèles, qui est une forme spéciale de conception optimale des expériences. Dans plusieurs applications, il a été montré que l'effort expérimental pour obtenir des paramètres à partir d’une certaine mesure avec une importance donnée peut être réduit d'un facteur d'au moins 3 dans de nombreux cas, si les conditions expérimentales sont choisies de manière optimale.

Le développement de ReDrop ainsi que la sélection et l'optimisation d'agents d'extraction sont systématiquement soutenus par l'industrie dans une variété de projets, par exemple, avec BASF, Bayer Technology Services, Evonik Industries, pour n'en nommer que quelques-unes.

Projets en cours:

• Validation des modèles de transfert de masse pour des gouttes individuelles passant au travers d’un gradient de concentration dans une phase continue. 
• Design de procédés d’extraction de solides et de lixiviation en appliquant un modèle basé sur une analyse expérimentale en tenant compte de la sélectivité entre les composes et les couts du procédé. 
• Extraction et purification de composés bioactifs avec un système aqueux biphasique 
• Récupération de phosphore à partir de boues de stations d’épuration et de cendres de boues de station incinérées afin d’être utilisé sur les champs en tant qu’engrais.
• Extraction impliquant des systèmes, à haute viscosité et contenant des particules solides fines, pertinents impliquant par exemple des produits biosourcés, des process biochimiques en aval, la récupération de terres rares et la séparation en urban mining.

Publications:

M. Kalem, F. Buchbender, A. Pfennig, 2011: Simulation of hydrodynamics in RDC extraction columns using the simulation tool “ReDrop”. 

M.Y. Altunok, M. Kalem, A. Pfennig, 2012: Investigation of Mass Transfer on Single Droplets for the Reactive Extraction of Zinc with D2EHPA.

Buchbender, Onink, Meindersma, de Haan, Pfennig, 2012: Simulation of aromatics extraction with an ionic liquid in a pilot-plant Kühni extractor based on single-drop experiments.

Ayesterán, Kopriwa, Buchbender, Kalem, Pfennig, 2015: ReDrop – A Simulation Tool for the Design of Extraction Columns Based on Single-Drop Experiments.

Kopriwa, Pfennig, 2016: Characterization of Coalescence in Extraction Equipment Based on Lab-Scale Experiments.

Bednarz, Jupke, Spieß, Pfennig, 2019: Aerated extraction columns for in situ separation of bio-based diamines from cell suspensions.