Mixer Settler-Einheit
Final Report Abstract
Biotechnologisch hergestellte Stoffe aus der weißen und roten Biotechnologie zeichnen sich durch ein enormes Wachstumspotential aus, das aber zum großen Teil durch den Mangel an effektiven und wirtschaftlichen Aufarbeitungsverfahren zur Zeit nicht ausgeschöpft werden kann. Unterschiedliche Extraktionstechniken erlauben es große Kapazitäten bei ausreichender Selektivität zu erreichen. Für die Aufarbeitung biotechnologisch hergestellter Produkte müssen aber neuartige Extraktionssysteme entwickelt und experimentell getestet werden. Der bisher begrenzte Einsatz dieser neuartigen Trennung liegt begründet im hohen experimentellen Aufwand und damit der kostenintensiven Prozessentwicklung. Die beantragte Mischer-Scheider Batterie und Ionenaustauschchromatographie erlauben eine tiefe, experimentelle Untersuchung dieser Extraktionssysteme und eine Prozessmodellierung. Seit der Inbetriebnahme im April 2011 wurden in der Mischer-Scheider Batterie mehrstufige Extraktionen mit verschiedenen Extraktionssystemen durchgeführt. Bei diesen Systemen handelt es sich um wässrige Zweiphasensysteme (ATPS) und Systeme basierend auf Wasser und einer wasserunlöslichen ionischen Flüssigkeit, wobei die Ionenchromatographie zur Analytik der entstehenden Phasen genutzt wurde. ATPS können durch die Lösung zweier inkompatibler hydrophiler Stoffe (wie z.B. zweier Polymere, Salze oder ionischer Flüssigkeiten) gebildet werden. Aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der beiden wässrigen Phasen, können sich das Zielprodukt und die Verunreinigungen unterschiedlich auf die beiden Phasen verteilen. In der Mischer-Scheider Batterie wurde ein ATPS bestehend aus Polyethylenglykol (PEG) / Phosphatsalz (Phosphat) und Wasser zur Trennung zweier Laccasen aus unterschiedlichen Wirtszellen eingesetzt. In insgesamt acht Experimenten mit jeweils drei Stufen wurden die Einflüsse der mehrstufigen Extraktion untersucht. Im Vergleich zu einstufigen Gleichgewichtsexperimenten konnten durch den mehrstufigen Prozess sowohl verbesserte Aufreinigungsfaktoren als auch Aktivitätsausbeuten erreicht werden. Ein PEG / Phosphat ATPS wurde ebenfalls zur mehrstufigen Extraktion eines monoklonalen Antikörpers aus einem tierischen Zellüberstand verwendet. In 13 Experimenten wurden die Einflüsse des Phasenverhältnisses, des Gesamtdurchsatzes und der Stufenzahl auf die Extraktion untersucht. Die Stufenzahl wurde im Bereich von ein bis fünf Stufen variiert. Zusätzlich wurde das Erreichen des stationären Betriebs durch dynamische Versuche charakterisiert. Beide genannten ATPS wurden ebenfalls hinsichtlich des Einflusses eines zusätzlichen Verdrängersalzes bei der mehrstufigen Extraktion untersucht. In einer weiteren Arbeit wurde die mehrstufige Extraktion von 1,3-Propandiol in einem ATPS bestehend aus einer ionischen Flüssigkeit, Phosphatsalz und Wasser in der Mischer-Scheider Batterie durchgeführt. In fünf Experimenten wurden die Stufenzahl von ein bis fünf Stufen, das Phasenverhältnis und der 1,3-Propandiol Massenanteil im Feed variiert. Durch eine Erhöhung der Stufenzahl von ein auf fünf Stufen, konnte die Ausbeute an 1,3-Propandiol erheblich gesteigert werden. Ein anderes Stoffsystem bestehend aus einer wasserunlöslichen ionischen Flüssigkeit und Wasser wurde zur Extraktion von Butanol genutzt. Als Feed wurden sowohl ein binäres Gemisch aus Butanol und Wasser als auch ein synthetisches Medium, welches die Zusammensetzung eines ABE (Aceton, Butanol, Essigsäure)-Fermentationsüberstands entsprach, eingesetzt. In sechs Experimenten mit jeweils drei Stufen wurden der Einfluss des Lösungsmittel zu Feed Verhältnisses, der Initialkonzentration an Butanol im Feed sowie der Art des Feed (binär oder synthetisch) auf die Extraktion untersucht. Es konnte Ausbeute von 99 % Butanol in der Extraktphase erzielt werden. Für die Extraktion wurde sowohl frische, als auch durch Destillation regenerierte ionische Flüssigkeit verwendet. Die erzielten Ergebnisse waren vergleichbar.
Publications
- Continuous multi-stage extraction of n-butanol from aqueous solutions with 1-hexyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate. Separation and Purification Technology, 120, 415-422, 2013
M. Stoffers, A. Gorak
- Experimental and theoretical investigation of multistage extraction of 1,3-propanediol using the extraction system phosphate/1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate/water. Biotechnology Progress, 29, 933-942, 2013
A. Müller, P. Lutze, A. Gόrak
- Multi-stage laccase extraction and separation using aqueous two-phase systems: Experiment and model. Process Biochemistry,49, 1020-1031,2014
A. Prinz, K. Koch, A. Gorak, T. Zeiner
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procbio.2014.03.011) - Single stage aqueous two-phase extraction for monoclonal antibody purification from cell supernatant. Fluid Phase Equilibria, 385, 227-236, 2015
J. Mündges, S. Mohammad, I. Stark, A. Górak, T. Zeiner
(See online at https://doi.org/10.1016/j.fluid.2014.10.034)
