Characterization and Modeling of the Operating Curves of Membrane

paper, we present systematic modeling of the operating ranges of the membrane microseparator. ... croscale.1 As a ubiquitous unit operation, continuou...
0 downloads 0 Views 524KB Size
Subscriber access provided by Gothenburg University Library

Article

Characterization and Modeling of Operating Curves for Membrane Microseparators Lu Yang, Nopphon Weeranoppanant, and Klavs F. Jensen Ind. Eng. Chem. Res., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.iecr.7b03207 • Publication Date (Web): 03 Oct 2017 Downloaded from http://pubs.acs.org on October 8, 2017

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a free service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are accessible to all readers and citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

Industrial & Engineering Chemistry Research is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Industrial & Engineering Chemistry Research

Characterization and Modeling of the Operating Curves of Membrane Microseparators Lu Yang1, Nopphon Weeranoppanant1,2 and Klavs F. Jensen1,*      1. Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA  2. Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Burapha University, Chonburi, 20131, Thailand   ABSTRACT:  The membrane microseparator is a milliliter‐scale flow chemistry module that continuously separates a bi‐ phasic flow via a PTFE microporous membrane. It has found a wide range of application in the continuous manufacturing  of active pharmaceutical ingredients and fine chemicals, especially those involving multiple synthetic steps. Yet, it is tech‐ nically challenging to predict and control accurately the pressure balance needed for successful phase separation. In this  paper, we present systematic modeling of the operating ranges of the membrane microseparator. We characterize the re‐ tention and breakthrough phenomena of the device, and develop two new analytic models for retention and breakthrough  by taking into consideration the tortuosity factor and pore size distribution. The new models are shown to be better pre‐ dictors of the experimental results compared to the original theoretical models based on simple Young‐Laplace equation  and straight‐channel Hagen‐Poiseuille equation. 

1. Introduction  With the rapid development of flow chemistry technol‐ ogy in the recent two decades, a wide variety of microflu‐ idic modules have been developed that facilitate the exe‐ cution  of  chemical  synthesis  and  workup  on  the  mi‐ croscale.1 As a ubiquitous unit operation, continuous mul‐ tiphase  separation  has  become  an  indispensable  compo‐ nent  downstream  of  multiphase  reactors  in  microscale  flow chemistry applications. Due to the decrease in length  scale, phase separation by gravity is no longer feasible on  the  microscale.  Instead,  researchers  have  exploited  the  dominant capillary force to achieve successful continuous  separation driven by the difference in wetting characteris‐ tic of the two fluids. Specifically, Gunther et al. fabricated  a  capillary  microseparator  that  includes  an  array  of  mi‐ cron‐scale capillaries as side channels, which were able to  absorb  the  wetting  phase  while  leaving  the  non‐wetting  phase  in  the  main  channel.2  Similar  designs  have  since  been  adopted  by  researchers  to  perform  a  wide  array  of  tasks, including reaction workup, extraction, and demulsi‐ fication. 3‐7  While  the  capillary  microseparator  enjoys  many  bene‐ fits,  including  well‐defined  straight  pores  that  prevent  clogging and facilitate CFD modeling, it is rather difficult  to scale up to accommodate higher throughput. The maxi‐ mum permeate removal flow rate through the capillary mi‐ croseparator is equal to the flow rate of the wetting fluid 

through each capillary,  , multiplied by the total num‐ ber  of  capillaries,  n.   is  directly  proportional  to  the  pressure drop across the capillary, which is limited by the  breakthrough  pressure  threshold.8  Therefore,  without  ,  the  permeate  removal  flow  much  flexibility  around  rate scales linearly with the total number of capillaries, n.  For higher flow rates, it becomes uneconomical or even im‐ practical  to  fabricate  microseparator  devices  with  hun‐ dreds or thousands of capillaries in parallel.  Separators employing microporous membranes offer al‐ ternatives to microcapillary arrays for achieving separation  on  a  larger  scale.  The  application  of  microporous  mem‐ branes as phase separators and contactors originated dec‐ ades ago in the field of analytical chemistry. Nord spear‐ headed  the  use  of  microporous  membrane  as  a  sample  preparation method for an extraction manifold in the flow  injection  analysis  (FIA).9  He  also  tested  a  wide  array  of  membrane materials, and recommended the use of PTFE  membrane  with  polyethylene  support  for  future  studies,  due to its high durability and solvent compatibility. Valcar‐ cel and de Castro reviewed the application of microporous  membranes  as  a  tool  for  continuous  separation  for  FIA,10  and Jonsson and Mathiasson summarized the use of mem‐ brane technology in sample enrichment as applied to ana‐ lytical methods, including FIA, gas chromatography (GC)  and  high‐performance  liquid  chromatography  (HPLC).11  Following  this  line  of  work,  Cai  et  al.  fabricated  a  mem‐ brane‐based contactor in a microfluidic chip, in which the 

ACS Paragon Plus Environment

Industrial & Engineering Chemistry Research

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

aqueous  and  organic  phase  each  flow  on  one  side  of  the  microporous membrane, so that the analyte in the aqueous  phase  could  be  extracted  into  the  organic  phase  without  the need for further separation.12  Kralj et al. applied microporous PTFE membrane to re‐ place microcapillary arrays in achieving phase separation  in  flow  chemistry  applications  (Figure  1a).13  Compared  to  microcapillary separators, the membrane separator enjoys  several distinct advantages: (1). The membrane can be eas‐ ily scaled up using similar configurations, and can accom‐ modate a much wider range of flow rates. While the micro‐ separators are mostly designed for lab‐on‐chip demonstra‐ tions and microchemical assays, the membrane separator  is compatible with larger‐scale flow chemistry applications  and has promising applications in small scale production.  (2). The membrane‐based separators are easier to assemble  as it eliminates the microfabrication of each capillary. (3).  It also provides better reusability, as a membrane can be  easily be substituted if it becomes clogged, fouled or oth‐ erwise dysfunctional, while the entire capillary microsepa‐ rator chip would have to be replaced under the same cir‐ cumstance.  (4).  The  membrane  separator  has  much  smaller pores (0.1 µm to 10 µm) compared to the capillary  separator (20 µm), which becomes essential when separat‐ ing systems with low interfacial tensions. 

Page 2 of 11

There are also three distinct operating regimes in which  the membrane separator (Figure 1c) operates, the retention  regime,  the  complete  separation  regime  and  the  break‐ through regime.14 The three regimes are controlled by one  variable, the pressure drop across the membrane, ∆ . If  ∆  is  too  low,  the  pressure  gradient  would  not  be  enough  to  push  all  the  organic  phase  through  the  PTFE  membrane, thus resulting in retention of the organic phase  in the aqueous stream. This pressure threshold is deemed  the retention pressure threshold, ∆ . On the other  hand, if ∆  is too high, both the organic phase and the  aqueous phase will permeate through the membrane, re‐ sulting in the contamination of the organic stream by the  aqueous  phase.  This  pressure  limit  is  the  breakthrough  pressure  threshold,  ∆ .  When  ∆ ∆ ∆ ,  complete  separation  takes  place,  where the biphasic flow from the inlet is continuously sep‐ arated into an organic phase and an aqueous phase.   Kralj et al. designed a polycarbonate module with a PTFE  membrane inside to demonstrate the separation concept,  then fabricated a silicon device that integrates multiphase  mixer,  contactor  and  separator  into  a  single  chip.13  The  membrane microseparator has since then been applied by  many researchers as an indispensable workup tool for 

  Figure 1. (a) A scheme showing the composition of a membrane separator, where there is one biphasic feed inlet and two outlets,  one for the aqueous stream and one for the organic stream.13 (b) An SEM image of the active surface of the PTFE membrane15 (c)  Schemes demonstrating the three operating modes of the membrane separator14 (d). Comparison of the theoretical limit (solid  line) and experimental measurements (dots). The yellow region denotes the retention regime, the green region denotes the com‐ plete separation regime, and the red region denotes the breakthrough region. In the retention and complete separation regime,  the permeate phase consists solely of the organic phase, whereas in the breakthrough regime, the permeate is a mixture of organic  and aqueous phases. The normalized permeate flow rate is the ratio of the permeate flow rate to the incoming organic phase flow  rate, and its value should be equal to 1 when complete separation occurs.14 

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Industrial & Engineering Chemistry Research

  achieving multistep continuous synthesis.16‐26 For instance,  the membrane separator was applied by Sahoo et al. to in‐ tegrate three chemical reactions continuously with separa‐ tion  steps  in  between.27  Alimuddin  et  al.  employed  the  membrane  separator  to  design  an  automated,  high‐ throughput method for measuring the oil/water distribu‐ tion  coefficient  of  a  molecule  to  replace  the  traditional  shake‐flask method.28 Hartman et al. expanded the appli‐ cation of the membrane separator to the field of microscale  distillation,  adding  yet  another  useful  module  to  the  toolbox of continuous flow chemistry synthesis.29,30 Heider  et al. further demonstrated the scalability and practicality  of the membrane separators by using scaled‐up membrane  separators in the continuous synthesis of a pharmaceutical  product, where each separator unit was equipped to han‐ dle flow rates between 10 – 1,000 mL/h, and the membrane  ran successfully for 100 h before fouling occurred.31 Based  on  the  multitude  of  applications,  Cervera‐Padrell  et  al.  evaluated different liquid‐liquid separation technologies in  the  context  of  large‐scale  industrial  applications  for  con‐ tinuous  pharmaceutical  production,  and  concluded  that  the microporous membrane separator is one of the most  suitable, flexible and robust device for this purpose.32  Despite its versatility and adaptability, an inevitable dif‐ ficulty in the inline application of the membrane separator  is the stringent requirement for pressure control. In order  for the device to function properly, the pressure at both the  wetting and non‐wetting outlets must be maintained me‐ ticulously, as deviations in each value would result in er‐ rors in ∆ , thus hindering the smooth operation of the  device. This is especially difficult given that the separator,  when used in the middle of a sequence of flow chemistry  modules,  is  frequently  subject  to  pressure  fluctuations  from upstream and downstream. In addition, two  sets of  pressure control valves take up extra space and make the  system cumbersome, especially when multiple separation  steps are involved. To address this problem, Adamo et al.  designed a membrane separator device coupled with a de‐ formed diaphragm that provided a constant pressure dif‐ ference across the membrane, regardless of the outlet con‐ ditions.14  By  fine‐tuning  the  configuration  of  the  dia‐ phragm, consistent and complete separation performance  could be guaranteed. The same module has been employed  as an integral part of a refrigerator‐sized “flow chemistry  factory”  to  synthesize  and  formulate  pharmaceuticals  on  demand33 and has been used as the separator in the con‐ tinuous solvent‐free oxidation of alcohols.34 Moreover, the  independent nature of the units enabled their integration  into counter‐current extraction.35   Regardless of the pressure control mechanism, the key  issue  in  operating  the  membrane  separator  is  to  under‐ stand the pressure ranges over which complete separation  occurs.  While  theoretical  expression  exist  for  the  break‐ through  and  retention  threshold,  based  on  the  capillary  flow model, they largely fail to predict the operating ranges  of the membrane separator (Figure 1d)14 This behaviour re‐ sults  from  the  polydispersity  and  tortuosity  of  the  fluid 

path in the membrane (Figure 1b) as compared to the well‐ defined micromachined straight channels in the capillary  separator. The polydispersity of the membrane pore sizes  reduces  the  breakthrough  pressure  threshold,  as  break‐ through would occur through the largest pore, and conse‐ quently  narrows  the  operating  window.  In  addition,  the  tortuous  fluid  path  in  the  membrane  increases  flow  re‐ sistance and raises the retention pressure limits compared  to  the  straight  and  uniform  channels  in  the  microfabri‐ cated  capillary  separators.  The  discrepancy  between  the  theoretical  framework  and  experimental  measurements  was  observed  by  Adamo  et  al  (Figure  1d).14  Specifically,  while the theoretical model was able to qualitatively cap‐ ture the three operating regimes of the device, it tends to  under‐predict the onset of the retention and over‐predict  the  start  of  the  breakthrough,  thus  overestimating  the  pressure range for complete separation.   Recognizing  the  strong  need  for  an  increased  under‐ standing of the operation the device, we seek to establish  an  analytic  model  for  understanding  and  predicting  the  operating  ranges  of  the  membrane  microseparator  based  on systematic experimental characterization. We will pre‐ sent the derivation of a new set of analytic models, com‐ pare the results of the new model with that of the original  ones,  and  demonstrate  the  use  of  the  new  model  in  pre‐ dicting the performance of the membrane separators.    2. Methods  2.1 Experimental Measurement  The membrane testing unit (Figure 2) was machined in  perfluorinated polymers (HDPE), which was embedded in  a  metal  shell  for  higher  pressure  rating.  The  membrane  used was made of PTFE with a nominal pore diameter of  1.0 µm (Pall, USA). It had a supporting layer of PTFE. FEP  coated o‐rings were used to provide a leak proof seal. The  membrane area was 4.0 × 0.8 cm2. Subtracting from it the  areas occupied by the supporting islands through which no  permeation  occurred,  the  active  membrane  area  was  157  mm2. This unit was used for both breakthrough and reten‐ tion  studies.  To  generate  a  breakthrough  curve,  the  unit  was installed with pressure gauges and back pressure reg‐ ulators  (BPR)  on  the  two  outlets  (Figure  2,  highlighted  with  red).  Two  liquid‐liquid  (immiscible)  combinations  were tested: (a) water‐toluene, (b) water‐hexane. The two  BPRs were connected to adjustable compressed gas tanks  so that the BPR set points could be changed dynamically  during experiment. The two immiscible phases, delivered  into the system by peristaltic pumps, were mixed in a T‐ junction and then introduced into the membrane testing  unit. Due to high hydrophobicity of the membrane, the or‐ ganic  phase  tended  to  wet  and  permeate  through  the  membrane  while  the  aqueous  phase  would  be  retained.  However, provided a sufficiently high pressure difference  across the membrane, the aqueous phase could partially,  or even fully, permeate through the membrane too. By ad‐ justing  the  regulators  of  the  compressed  gas  tanks,  we 

ACS Paragon Plus Environment

Industrial & Engineering Chemistry Research

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

could set the pressures on the BPRs. At each adjustment,  the setup was allowed to equilibrate as the reading on the  gauges  stopped  changing.  We  then  recorded  the  actual  pressures of the two gauges, and used them to calculate the  pressure  difference  between  the  two  sides  of  the  mem‐ brane (∆ ). The flow rates of both aqueous and organic  phases  in  the  two  outlets  were  measured  simultaneously  using  graduated  cylinders  and  timers.  Based  on  repeated  runs under the same experimental condition, we were able  to quantify the random errors in this experimental setup.  For  the  breakthrough  curve  measurement,  the  relative  standard error of ∆  is 2.5%, and that of the normalized  permeate flow rate is 7.1%, which is likely due to the pulsa‐ tile nature of the pump. 

    2.2.1  Single  phase  flow  through  the  membrane  un‐ der retention limit  The  retention  limit  occurs  when  there  is  just  enough  pressure  to  propel  the  organic  phase  through  the  mem‐ brane,  and  could  be  described  by  the  Hagen‐Poiseuille  equation, if the pores were straight, uniform in size, and  did not intersect:  ∆



,

          (2) 

Here L is the thickness of the membrane,   is the flow  rate of the organic phase through the membrane,   is the  total number of capillaries, and   is the averaged radius of  the membrane pores. 

In  this  testing  unit,  the  retention  occurred  at  very  low  pressure differences (