Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Anreichern und Fraktionieren von Proteinen und Zellsuspensionen mit alternativen Verfahrensweisen in der Crossflow-Filtration

Ziel der Crossflow-Filtration ist es, die Ablagerung zurückgehaltener Stoffe als Deckschicht zu vermindern und so den Flux zu stabilisieren. Beim Aufarbeiten komplexer Biosuspensionen oder kolloidaler Lösungen, wie Milch und Bier, lässt sich aufgrund der enthaltenen polymeren Makromoleküle (z.B. Proteine und Polysaccharide) und Partikel (z.B. Mikroorganismen) trotz hoher Überströmgeschwindigkeit eine Deckschichtbildung nicht vermeiden. Diese führt zu geringen Filtratflüssen, schlechten Trennspezifitäten und kurzen Filterstandzeiten mit allen sich hieraus ergebenden negativen wirtschaftlichen Konsequenzen, insbesondere für KMU.

Durch Pulsation der Vorwärtsströmung oder durch eine alternierende Strömung könnte ggf. ein höherer Steady-state-Flux, eine bessere Permeation von Zielsubstanzen durch die Membranen und eine längere Standzeit der Anlagen zwischen zwei Reinigungsvorgängen erreicht werden. Dies würde höhere Produktreinheiten, bessere Ausbeuten und einen deutlich reduzierten Energieaufwand, allein durch die geringere Anzahl von Diafiltrationsschritten bei der Fraktionierung von Proteinen und in der kontinuierlichen Fermentation mit Zellkulturen, erlauben.

Ziel des Vorhabens ist die Bewertung dieser beiden, in der Praxis bisher nicht üblichen Strömungskonzepte.

Membranfouling ist trotz der breiten und branchenübergreifenden Anwendung von Crossflow-Filtrationsprozessen immer noch ein erhebliches wirtschaftliches Problem, das die Filtrationseffizienz und Größenspezifität negativ beeinflusst. Von den Ergebnissen könnte eine Vielzahl von Betrieben aus den Bereichen Membranherstellung, Anlagenbau, Lebensmittelindustrie und pharmazeutische Biotechnologie profitieren und insbesondere KMU in die Lage versetzen, neue Produkt- und Verfahrenskonzepte umzusetzen.

Ergebniszusammenfassung:

Membranverfahren sind nicht-thermische Trennverfahren, welche häufig in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zur Aufbereitung von Prozessströmen eingesetzt werden. In dem vorliegenden Projekt wurde der Einsatz pulsierender und alternierender Überströmung in der Crossflow-Mikrofiltration zur Reduktion des auftretenden Fouling untersucht. Dafür wurde zunächst eine Testanlage konzipiert, welche es erlaubt alle drei Strömungsformen, stetig, pulsierend und alternierend, unter vergleichbaren Bedingungen zu testen. Es wurde gezeigt, dass durch die Anwendung der oszillierenden Überströmung bei der Fraktionierung von Zellen (S.cerevisiae) und Proteinen (BSA) nicht nur ein erhöhter Permeatvolumenstrom, sondern auch eine Verdopplung des Proteindurchgangs erreicht werden kann. Einen starken Einfluss auf das Ausmaß dieses positiven Effektes hat dabei die Amplitude der Pulsation. Bei der Anwendung des Verfahrens auf die Milchproteinfraktionierung zeigt sich, dass hier kein positiver Effekt erzielt werden kann. Zwar zeigt der zeitlich aufgelöste Verlauf des Filtrationswiderstandes, dass durch die Pulsation eine Lockerung der Deckschicht erreicht werden kann, aufgrund der Quervernetzung der Kaseinmizellen konnte die abgelagerten Partikel jedoch nicht abgetragen werden und es kam zu keiner Steigerung der Filtrationseffizienz. Diese Quervernetzung konnte in Dead-End-Filtrationsexperimenten nachgewiesen und quantifiziert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die Anwendung pulsierender und alternierender Überströmung eine Lockerung der abgelagerten Partikel erreichen lässt. Ob dies zu einer Steigerung der Filtrationseffizienz führt, hängt von intrinsischen Eigenschaften der abgelagerten Partikel ab. Die Anwendung alternierender Überströmung, welche anlagen- und prozesstechnisch aufwändiger umzusetzen ist und eine stärkere Belastungen der verwendeten Komponenten bedingt, bietet im Vergleich zu leichter umsetzbaren pulsierenden Überströmung keinen signifikanten Mehrwert.