DESIGN AND TECHNOECONOMIC OPTIMIZATION OF INDUSTRIAL MSMPR CRYSTALLIZERS

Ιωάννου Σαρτζή, Μαρία; Ioannou Sartzi, Maria

dc.contributor.author	Ιωάννου Σαρτζή, Μαρία
dc.contributor.author	Ioannou Sartzi, Maria
dc.date.accessioned	2025-09-22T09:20:05Z
dc.date.available	2025-09-22T09:20:05Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62491
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30187
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Population Balance Modeling (PBM)	en
dc.subject	Paracetamol	en
dc.subject	Cyclosporine	en
dc.subject	Technoeconomic Analysis	en
dc.subject	Continuous MSMPR Crystallization	en
dc.subject	Παρακεταμόλη	el
dc.subject	Κυκλοσπορίνη	el
dc.subject	Τεχνοοικονομική ανάλυση	el
dc.subject	Συνεχής κρυστάλλωση MSMPR	el
dc.subject	Μοντελοποίηση ισοζυγίων πληθυσμών	el
dc.title	DESIGN AND TECHNOECONOMIC OPTIMIZATION OF INDUSTRIAL MSMPR CRYSTALLIZERS	en
dc.contributor.department	DEPARTMENT ΙΙ: DEPARTMENT OF PROCESS ANALYSIS AND PLANT DESIGN	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Crystallization	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-07-03
heal.abstract	Crystallization is a fundamental unit operation in pharmaceutical manufacturing, shaping not only the purity but also the physical properties of the final product. In this thesis, the continuous crystallization of two chemically and kinetically distinct active pharmaceutical ingredients (APIs), paracetamol and cyclosporine, was investigated through a mechanistic modeling framework. The goal was to develop and validate a predictive tool for crystal size distribution (CSD), yield and productivity in multistage MSMPR (Mixed-Suspension Mixed-Product Removal) crystallizers, and to evaluate the associated process economics. A population balance model (PBM) was implemented in MATLAB, incorporating compound-specific solubility curves and kinetic expressions for nucleation and growth. The model examined single-, two-, and three-stage MSMPR crystallization processes under various temperatures and residence times. Key parameters such as mean crystal size, slurry mass and final yield were tracked. For paracetamol, multiple experimental datasets were used for validation, demonstrating excellent agreement between simulated and observed CSDs in single- and two-stage systems. For cyclosporine, validation against a three-stage crystallization experiment confirmed the model's robustness, despite the compound's slow kinetics and lower overall yields. The simulation results highlighted distinct differences in crystallization behavior between the two APIs. Paracetamol exhibited higher nucleation and growth rates, leading to broader CSDs and higher productivity. In contrast, Cyclosporine required longer residence times and higher temperatures to achieve adequate performance, emphasizing the importance of kinetic limitations in process design. Multi-stage cascades improved yields significantly, but gains in crystal size diminished beyond the second stage, especially for slow-crystallizing compounds. A technoeconomic analysis was conducted to identify optimal process configurations by balancing product quality with production cost. The integration of PBM simulations with economic modeling enabled a deeper understanding of how operational choices affect both performance and cost-efficiency. This work demonstrates that combining crystallization modeling with technoeconomic analysis provides a powerful approach for process design of API manufacturing. It supports the development of scalable, efficient crystallization processes that are both scientifically grounded and industrially viable.	en
heal.abstract	Η κρυστάλλωση αποτελεί θεμελιώδη διεργασία τόσο στη χημική όσο και στη φαρμακευτική βιομηχανία, διαδραματίζοντας κρίσιμο ρόλο στην παραγωγή των ενεργών φαρμακευτικών ουσιών (APIs). Πέρα από τον διαχωρισμό και τον καθαρισμό των προϊόντων από σύνθετες μήτρες, η κρυστάλλωση καθορίζει βασικές φυσικοχημικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος, όπως το μέγεθος, το σχήμα και τη μορφολογία των κρυστάλλων. Οι εν λόγω ιδιότητες ασκούν άμεση και καθοριστική επίδραση στη διαλυτότητα, τη βιοδιαθεσιμότητα, τη συμπεριφορά δόσης και τη σταθερότητα κατά την αποθήκευση των φαρμακευτικών σκευασμάτων, καθιστώντας την ακριβή ρύθμισή τους επιτακτική για την ποιότητα και την αποτελεσματικότητα των τελικών προϊόντων. Η επιτακτική ανάγκη για ακριβή μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση της κρυστάλλωσης είναι εμφανής, ειδικά όταν πρέπει να επιτευχθεί ισορροπία μεταξύ της απόδοσης, της ποιότητας του προϊόντος και της αποδοτικότητας του εξοπλισμού με το κόστος παραγωγής. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η συνεχής κρυστάλλωση μέσω συστημάτων Mixed Suspension Mixed Product Removal (MSMPR). Αυτή η προσέγγιση συνδυάζει ευελιξία, δυνατότητα κλιμάκωσης και πλήρη συμβατότητα με τις αυστηρές απαιτήσεις της φαρμακευτικής βιομηχανίας. Στο πλαίσιο αυτής της εργασίας, αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης της κρυστάλλωσης για δύο σημαντικές φαρμακευτικές ουσίες: την παρακεταμόλη και την κυκλοσπορίνη Α. Το μοντέλο βασίστηκε σε συστήματα MSMPR, εξετάζοντας τόσο μονοσταδιακές όσο και πολυσταδιακές διατάξεις (έως και τρία στάδια). Η πληρότητα του μοντέλου εξασφαλίστηκε με την ενσωμάτωση θερμοδυναμικών σχέσεων διαλυτότητας, κινητικών εξισώσεων ανάπτυξης και πυρηνοποίησης και επίλυσης της πληθυσμιακής εξίσωσης (Population Balance Equation - PBE). Βασικός στόχος της εργασίας ήταν η συστηματική μελέτη της επίδρασης των λειτουργικών παραμέτρων – όπως η θερμοκρασία, ο χρόνος παραμονής και ο αριθμός των σταδίων – στην κατανομή μεγέθους των κρυστάλλων και την απόδοση. Ο απώτερος σκοπός ήταν ο εντοπισμός βέλτιστων συνθηκών παραγωγής από τεχνική και οικονομική άποψη. Η αξιολόγηση της αξιοπιστίας του μοντέλου πραγματοποιήθηκε μέσω της σύγκρισης των προβλεπόμενων αποτελεσμάτων με πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία για την παρακεταμόλη και την κυκλοσπορίνη. Τέλος, διεξήχθη τεχνοοικονομική ανάλυση για την εκτίμηση του κόστους λειτουργίας και επένδυσης υπό διάφορες συνθήκες, επιτρέποντας μια συνολική αξιολόγηση εναλλακτικών σεναρίων παραγωγής και τον εντοπισμό των πλέον συμφερόντων.	el
heal.advisorName	Boudouvis, Andreas G.
heal.committeeMemberName	Detsi, Anastasia
heal.committeeMemberName	Gerogiorgis, Dimitrios
heal.academicPublisher	Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	129
heal.fullTextAvailability	false