Experimentelle und theoretische Untersuchung eines wässrigen Zweiphasensystems mit einem hyperverzweigten Polymer

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tim Zeiner
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 226187286

Die wässrigen Zweiphasensysteme (ATPS) gewinnen als Aufarbeitungsschritt biotechnologisch hergestellter Produkte immer mehr an Bedeutung. Durch die wässrige Lösung zweier hydrophiler Stoffe, jedoch inkompatibler Stoffpaare (wie z.B: zweier Polymere oder eines Polymers und eines Salzes) kommt es ab einer bestimmten Konzentration zur Ausbildung zweier Phasen, die hauptsächlich aus Wasser bestehen. In diesem Forschungsvorhaben wurde erstmals ein wässriges Zweiphasensystem untersucht, welches durch Dextran und ein hyperverzweigtes Polyesteramid gebildet wird. Die Eigenschaften des ATPS wurden mit einem klassischen ATPS bestehend aus einer wässrigen Lösung aus Dextran und PEG8000 verglichen. Im Gegensatz zu linearen Polymeren können hyperverzweigte Polymere mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen und Architekturen, die direkt die thermodynamischen Eigenschaften und damit die Mischungslücke beeinflussen, synthetisiert werden. Ein weiterer Vorteil aus verfahrenstechnischer Sicht besteht in der deutlich geringeren Viskosität im Vergleich zu linearen Polymeren. In beiden ATPS wurde darüber hinaus noch die Verteilung von L-Serin auf die beiden koexistierenden Phasen untersucht. Die Modellierung der Extraktion zugrundeliegenden Phasengleichgewichte wurde mit einem thermodynamischen Modell, welches sowohl die Architektur als auch die funktionellen Gruppen der hyperverzweigten Polymere berücksichtigt, erfolgen. Das thermodynamische Modell ist die Lattice Cluster Theorie (LCT) in Kombination mit der Wertheim Theorie. Durch Anwendung dieses Modells war es möglich über eine Anpassung der Modellparameter an binäre und ternäre Randsysteme die Verteilung der Aminosäure vorherzusagen. Aufbauend auf diesem thermodynamischen Modell werden im nächsten Schritt Grenzflächenphänomene, wie der diffusive Stoffübergang und die Grenzflächenspannung, der beiden ATPS untersucht. Die Modellierung dieser Eigenschaften wird durch die Kombination des entwickelten thermodynamischen mit der Dichtegradiententheorie (DGT) durchgeführt. Die DGT liefert einen Ausdruck für die Helmholtz Energie eines uneinheitlichen Systems. Aus diesem Grund ist es möglich im Gleichgewicht die Grenzflächenspannung zu berechnen und einen Ausdruck für das chemische Potential im inhomogenen System zu berechnen, wodurch eine Modellierung des diffusiven Stoffüberganges ermöglicht wird. Neben der Modellierung werden die Grenzflächenspannung und der diffusive Stoffübergang auch experimentell untersucht. Für die experimentelle Untersuchung der Grenzflächenspannung wird die Spinning Drop Methode verwendet und der diffusive Stoffübergang wird in einer Nitsch-Zelle bestimmt. Die experimentellen Daten werden zur Validierung des entwickelten Modells eingesetzt. Im Erfolgsfall würde sich neben der Erweiterung der stofflichen Basis der ATPS durch hyperverzweigte Polymere, auch eine geschlossene Theorie für die Modellierung der Phasengleichgewichte und des diffusiven Stoffüberganges zur Verfügung stehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich