Projekt 13114/01

Förderschwerpunkt Biotechnologie: ICBio: Die Presselektrofiltration – Ein Membranverfahren für die Enzymproduktion

Projektträger

Universität Fridericiana Karlsruhe (TH) Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik Bereich III Bioverfahrenstechnik
Str. Am Forum 8 // Geb. 30.70
76131 Karlsruhe
Telefon: 0721-608-2410

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Herstellung von Enzymen in der Bioindustrie werden häufig 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 großtechnischen Enzymproduktion eingesetzt werden könnte. Dieses Verfahren verbindet eine gute Filterperformance mit einer hohen erreichbaren Endkonzentration. Es soll optimiert werden, damit es als praktisch verwendbares Verfahren etabliert wird. Hierfür soll neben der prozesstechnischen Optimierung auch eine konstruktive Verbesserung durch die Entwicklung eines energiesparenden Elektrokerzenfilters erreicht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAn der Anlage mit homogenem E-Feld werden prozesstechnische Schritte und Prozessparameter optimiert. Diese Ergebnisse werden dann für den Elektrokerzenfilter angewandt werden. Entwicklung, Konstruktion und Fertigung eines Kerzenfilters (EKF) mit einer Membran in Zusammenarbeit mit der Firma Lenser während schon Versuche am ebenen Filter durchgeführt werden. Der EKF weist eine bessere Nutzung der el. Energie auf als ein Elektroplattenfilter. Für die Untersuchungen sollen einerseits Enzyme, die von Novozymes bereitgestellt werden, mit Hilfe einer Ultrafiltrationsmembran aufkonzentriert werden. Hierbei müssen auch Enzymschädigungen untersucht werden. Andererseits soll die Abtrennung eines extrazellulär produzierten Enzyms von der Biomasse untersucht werden. Die Presselektrofiltration ist ein großtechnisch noch nicht verwendetes Verfahren, das seit einigen Jahren untersucht wird. Die Entlastung der Umwelt liegt vor allem im Erreichen einer höheren Endkonzentration, in der möglichen Verwendung komplexer Substrate und der Möglichkeit, zwei etablierte Verfahrensschritte in einem zusammenzufas-sen.


Ergebnisse und Diskussion

- Etablierung einer Kultivierung von Bacillus licheniformis: Zur Produktion von extrazellulärem Enzym wurde ein der genannte Mikroorganismus gewählt, der in einem synthetischen Medium wächst und durch bestimmte Prozessbedingungen zur Produktion der Enzyme angeregt werden kann.
- Versuche zur Filtration mit eigenen Biosuspensionen: Kultivierungen wurden filtriert, wobei mittels E-Feld die Filtrationsgeschwindigkeit deutlich und auch die Produktausbeute an extrazellulärem Enzym gesteigert werden kann.
- Versuche bei Enzymhersteller zur Abtrennung von Biomasse:
- Mit realer Biosuspension konnte die Filtrationsgeschwindigkeit durch die Überlagerung des E-Felds gesteigert werden. Allerdings blieb die Produktausbeute im Vergleich zur Pressfiltration unverändert.
- Versuche zur Konzentrierung von Protein/Enzym-Modelllösungen: Die Ultra-Elektrofiltration von Enzymen konnte durch die Elektrofiltration deutlich beschleunigt werden- Versuche vom Enzymhersteller zur Konzentrierung von Ultrafiltrat:
- Bei realen Systemen war die Geschwindigkeitssteigerung nicht so groß wie bei Modellsystemen. Hauptproblem ist die große Konzentration an gelösten Salzen. Durch eine vorgeschaltete Diafiltration ergab sich eine Besserung.
- Konstruktion EKF: Ein Elektrokerzenfilter wurde konstruiert, der für eine Elektrofiltration im inhomogenen E-Feld geeignet ist. Dieser EKF wurde gefertigt.
- Inbetriebnahme 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 Membranfläche verloren ging.- Der Energieverbrauch konnte durch den EKF leicht gesenkt werden, jedoch nicht in dem berechneten Maße.
- Versuche zur Konzentrierung von Biopolymer: Erste Versuche mit Modellbiodispersion zeigten, dass mit dem EKF die Filtration um den Faktor 10 beschleunigt werden kann.
- Ausblick EKF: Aufgrund der Membranflächenverluste soll ausblickend die Möglichkeit genannt werden, mit einer Keramikmembran deutlich weniger konstruktive Probleme zu haben.
- Die CIP-Fähigkeit des Systems ist bei biologischen Produkten derzeit nicht möglich, jedoch könnten konstruktive Veränderungen einen Austrag des Filterkuchens nach der Filtration ermöglichen
- Fraktionierung von Proteinen - Modelllösungen: Modelllösungen aus BSA und Lysozym konnten mit hoher Selektivität (>800) separiert werden. Die Filtrationsgeschwindigkeit wurde hier durch das E-Feld ebenfalls stark erhöht.
- Grenzen der Anwendung: Die Elektrofiltration eignet sich vor allem dann, wenn die zu konzentrierende Lösung oder Suspension nur wenig leitfähig ist und die zu beeinflussenden Moleküle oder Partikeln ein hohes Zetapotenzial aufweisen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Käppler, 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.
Käppler, T., Hofmann, R., Posten, C.: Elektrofiltration - Einsatzgebiet Enzymproduktion. Akzeptiert bei Chemie Ingenieur Technik 2006, 78 (5).
Käppler, T., Posten C, Fractionation of BSA and Lysozyme by two-sided dead-end Electrofiltration. Akzeptiert für den 5th World Congress on Particle Technology, April 2006, Orlando, USA
Hofmann, R., Käppler. T., Posten, C.: Pilot-scale press electrofiltration of Biopolymers, Separation and Purification Technology 2006, 51 (2).
Käppler, T., Posten, C.: Fractionation of Proteins with two-sided Electro-Ultrafiltration. Eingereicht bei Journal of Biotechnology.
Käppler, T., Posten, C.: Electrofiltration - a multfunctional tool in bioseparation; eingereicht für die 6. ES-BES Konferenz, August 2006, Salzburg, Österreich.


Fazit

Die Elektrofiltration ist ein hybrides Verfahren, bei dem die elektrische Energie, welche eingebracht wird, einen zusätzlichen Freiheitsgrad bietet, um Enzyme effizient in ökonomischer und ökologischer Hinsicht aufzuarbeiten. Geeignete Systeme können in kürzerer Zeit mit höherer Ausbeute filtriert werden, wodurch die Einsparung von Verfahrenseinheiten in der Bioproduktaufarbeitung ermöglicht wird.