Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Bei der Herstellung von Enzymen in der Bioindustrie werden h\u00e4ufig filtrierende Verfahren, meist Membranverfahren eingesetzt. Dead-End-Filtrationen weisen dabei eine schlechte Filterperformance auf. Mit Querstromfiltrationen, die diesen Nachteil nicht haben, kann man wiederum nur geringe Eindickungsraten der Biomasse erreichen. Die Presselektrofiltration stellt ein innovatives Membranverfahren dar, das als Alternative in der gro\u00dftechnischen Enzymproduktion eingesetzt werden k\u00f6nnte. Dieses Verfahren verbindet eine gute Filterperformance mit einer hohen erreichbaren Endkonzentration. Es soll optimiert werden, damit es als praktisch verwendbares Verfahren etabliert wird. Hierf\u00fcr soll neben der prozesstechnischen Optimierung auch eine konstruktive Verbesserung durch die Entwicklung eines energiesparenden Elektrokerzenfilters erreicht werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAn der Anlage mit homogenem E-Feld werden prozesstechnische Schritte und Prozessparameter optimiert. Diese Ergebnisse werden dann f\u00fcr den Elektrokerzenfilter angewandt werden. Entwicklung, Konstruktion und Fertigung eines Kerzenfilters (EKF) mit einer Membran in Zusammenarbeit mit der Firma Lenser w\u00e4hrend schon Versuche am ebenen Filter durchgef\u00fchrt werden. Der EKF weist eine bessere Nutzung der el. Energie auf als ein Elektroplattenfilter. F\u00fcr die Untersuchungen sollen einerseits Enzyme, die von Novozymes bereitgestellt werden, mit Hilfe einer Ultrafiltrationsmembran aufkonzentriert werden. Hierbei m\u00fcssen auch Enzymsch\u00e4digungen untersucht werden. Andererseits soll die Abtrennung eines extrazellul\u00e4r produzierten Enzyms von der Biomasse untersucht werden. Die Presselektrofiltration ist ein gro\u00dftechnisch noch nicht verwendetes Verfahren, das seit einigen Jahren untersucht wird. Die Entlastung der Umwelt liegt vor allem im Erreichen einer h\u00f6heren Endkonzentration, in der m\u00f6glichen Verwendung komplexer Substrate und der M\u00f6glichkeit, zwei etablierte Verfahrensschritte in einem zusammenzufas-sen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
–\tEtablierung einer Kultivierung von Bacillus licheniformis: Zur Produktion von extrazellul\u00e4rem Enzym wurde ein der genannte Mikroorganismus gew\u00e4hlt, der in einem synthetischen Medium w\u00e4chst und durch bestimmte Prozessbedingungen zur Produktion der Enzyme angeregt werden kann.
\n–\tVersuche zur Filtration mit eigenen Biosuspensionen: Kultivierungen wurden filtriert, wobei mittels E-Feld die Filtrationsgeschwindigkeit deutlich und auch die Produktausbeute an extrazellul\u00e4rem Enzym gesteigert werden kann.
\n–\tVersuche bei Enzymhersteller zur Abtrennung von Biomasse:
\n–\tMit realer Biosuspension konnte die Filtrationsgeschwindigkeit durch die \u00dcberlagerung des E-Felds gesteigert werden. Allerdings blieb die Produktausbeute im Vergleich zur Pressfiltration unver\u00e4ndert.
\n–\tVersuche zur Konzentrierung von Protein\/Enzym-Modelll\u00f6sungen: Die Ultra-Elektrofiltration von Enzymen konnte durch die Elektrofiltration deutlich beschleunigt werden-\tVersuche vom Enzymhersteller zur Konzentrierung von Ultrafiltrat:
\n–\tBei realen Systemen war die Geschwindigkeitssteigerung nicht so gro\u00df wie bei Modellsystemen. Hauptproblem ist die gro\u00dfe Konzentration an gel\u00f6sten Salzen. Durch eine vorgeschaltete Diafiltration ergab sich eine Besserung.
\n–\tKonstruktion EKF: Ein Elektrokerzenfilter wurde konstruiert, der f\u00fcr eine Elektrofiltration im inhomogenen E-Feld geeignet ist. Dieser EKF wurde gefertigt.
\n–\tInbetriebnahme EKF: Bei der Inbetriebnahme ergaben sich Montage und Dichtigkeitsschwierigkeiten, welche behoben wurden. Dichtigkeit wurde erreicht, indem die Membran verklebt wurde. Dies hat allerdings den Nachteil, dass Membranfl\u00e4che verloren ging.-\tDer Energieverbrauch konnte durch den EKF leicht gesenkt werden, jedoch nicht in dem berechneten Ma\u00dfe.
\n–\tVersuche zur Konzentrierung von Biopolymer: Erste Versuche mit Modellbiodispersion zeigten, dass mit dem EKF die Filtration um den Faktor 10 beschleunigt werden kann.
\n–\tAusblick EKF: Aufgrund der Membranfl\u00e4chenverluste soll ausblickend die M\u00f6glichkeit genannt werden, mit einer Keramikmembran deutlich weniger konstruktive Probleme zu haben.
\n–\tDie CIP-F\u00e4higkeit des Systems ist bei biologischen Produkten derzeit nicht m\u00f6glich, jedoch k\u00f6nnten konstruktive Ver\u00e4nderungen einen Austrag des Filterkuchens nach der Filtration erm\u00f6glichen
\n–\tFraktionierung von Proteinen – Modelll\u00f6sungen: Modelll\u00f6sungen aus BSA und Lysozym konnten mit hoher Selektivit\u00e4t (>800) separiert werden. Die Filtrationsgeschwindigkeit wurde hier durch das E-Feld ebenfalls stark erh\u00f6ht.
\n–\tGrenzen der Anwendung: Die Elektrofiltration eignet sich vor allem dann, wenn die zu konzentrierende L\u00f6sung oder Suspension nur wenig leitf\u00e4hig ist und die zu beeinflussenden Molek\u00fcle oder Partikeln ein hohes Zetapotenzial aufweisen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
K\u00e4ppler, T., Hofmann, R., Posten, C.: Fractionation of Biosuspensions and Biopolymers with Pressure Electrofiltration; presented at the AFS annual conference, April 2005, Atlanta, Georgia, and at the FILTECH conference, October 2005, Wiesbaden, Deutschland.
\nK\u00e4ppler, T., Hofmann, R., Posten, C.: Elektrofiltration – Einsatzgebiet Enzymproduktion. Akzeptiert bei Chemie Ingenieur Technik 2006, 78 (5).
\nK\u00e4ppler, T., Posten C, Fractionation of BSA and Lysozyme by two-sided dead-end Electrofiltration. Akzeptiert f\u00fcr den 5th World Congress on Particle Technology, April 2006, Orlando, USA
\nHofmann, R., K\u00e4ppler. T., Posten, C.: Pilot-scale press electrofiltration of Biopolymers, Separation and Purification Technology 2006, 51 (2).
\nK\u00e4ppler, T., Posten, C.: Fractionation of Proteins with two-sided Electro-Ultrafiltration. Eingereicht bei Journal of Biotechnology.
\nK\u00e4ppler, T., Posten, C.: Electrofiltration – a multfunctional tool in bioseparation; eingereicht f\u00fcr die 6. ES-BES Konferenz, August 2006, Salzburg, \u00d6sterreich.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Elektrofiltration ist ein hybrides Verfahren, bei dem die elektrische Energie, welche eingebracht wird, einen zus\u00e4tzlichen Freiheitsgrad bietet, um Enzyme effizient in \u00f6konomischer und \u00f6kologischer Hinsicht aufzuarbeiten. Geeignete Systeme k\u00f6nnen in k\u00fcrzerer Zeit mit h\u00f6herer Ausbeute filtriert werden, wodurch die Einsparung von Verfahrenseinheiten in der Bioproduktaufarbeitung erm\u00f6glicht wird.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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