Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verfahrenstechnische Optimierung der Flotation in wässrigen Zweiphasen-Systemen (ATPF) für die Enzymaufbereitung

Verfahrenstechnische Optimierung der Flotation in wässrigen Zweiphasen-Systemen (ATPF) für die Enzymaufbereitung

Forschungsziel und Lösungsweg

Die ATPF wurde 2009 erstmalig beschrieben und verspricht durch das Einsparen mehrerer Trennschritte und der hohen Aufkonzentrierung eine effiziente Alternative zu herkömmlichen Aufreinigungsverfahren biotechnologischer Wertprodukte zu sein.

Ziel dieses auf zwei Jahre geplanten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und verfahrenstechnische Optimierung eines ATPF-Prozesses zur Aufbereitung industrieller Enzyme aus komplexen Biosuspensionen.

Ausgehend von Flotationsversuchen mit Modellenzymen (z.B. Amylasen, Proteasen und Lipasen) werden die Schlüsselparameter des Stoffsystems definiert und der Massentransfer der ATPF charakterisiert. Ein idealer Blaseneintrag über poröse Medien maximiert die Ausbeute. Daher sind die Betriebsfenster für den Gaseintrag bei der ATPF zu bestimmen und die Begasung zu optimieren. Abschließend wird die Selektivität gegenüber dem Zielenzym bei der Aufreinigung aus komplexen Biosuspensionen untersucht und ein Wirtschaftlichkeitsvergleich angestellt.

Angestrebte Ergebnisse und Nutzen für KMU

Die Versuche mit Modellenzymen erlauben die Wahl geeigneter Zweiphasen-Systeme und die Festlegung relevanter Stoffparameter. Ausgehend von den ermittelten Anforderungen an den Gaseintrag lassen sich geeignete Begasungsmedien für die ATPF finden. Prinzipiell entsteht so für Hersteller poröser Materialien (z.B. gesinterte Glas- oder Keramikfilter, Kunststoffmembranen, Metallgewebe) ein neues Anwendungsgebiet und Know-how im Bereich der Begasung. Anlagenbauer können aufbauend auf den Prozesserkenntnissen neue Flotationsanalgen für die ATPF entwickeln und als Vorreiter anbieten. Außerdem verspricht die ATPF zukünftig die Kosten bei der Herstellung von Enzymen drastisch zu reduzieren. Profitieren würden davon insbesondere KMU, die dann mit geringem apparativen Aufwand Enzyme produzieren können.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des auf zwei Jahre geplanten Forschungsvorhabens war die Entwicklung und verfahrenstechnische Optimierung eines ATPF-Prozesses zur Aufbereitung industrieller Enzyme aus komplexen Biosuspensionen.

In kleinskaligen Extraktionsversuchen erfolgte zunächst eine Auswahl geeigneter phasenbildender Komponenten, die für die Ausbildung des wässrigen Zweiphasen-Systems elementar sind. Als geeignet für die Aufbereitung von Enzymen zeigte sich ein Polymer-Salz System bestehend aus PEG 1000 und Natriumcitrat. Die Ergebnisse können Betriebe die Enzyme herstellen als Vorlage für die eigene Prozessentwicklung nutzen.

Nach der Optimierung des Stoffsystems erfolgte eine Untersuchung des Gaseintrags während der ATPF. Die Gasblasen lassen sich über poröse Medien am Boden der Flotationszelle erzeugen. Als besonders geeignet zeigte sich die Verwendung von mehrlagigen Metallgeweben aus dem Filtrationsbereich. Dadurch erschließt sich für Spezialwebereien ein neues Anwendungsgebiet ihrer Produkte.

Neben dem Gaseintrag wurde ebenfalls die Prozessführung untersucht. Eine kontinuierliche ATPF zeigte sich als deutlich effizienter als die Batch-ATPF, sodass sich in gleicher Zeit mehr Volumen an Biosuspension aufreinigen und mit Enzym beladene Oberphase erzielen lässt. Durch Fördern der beiden Phasen im Gleichstrom und Maximierung des Gaseintrags in einem eigens entwickelten horizontalen ATPF-Becken mit mehreren Begasungseinheiten findet eine schnelle Aufkonzentrierung der Enzyme in der Oberphase statt. Apparatehersteller können die Erkenntnisse nutzen um kontinuierliche ATPF-Becken zu entwickeln und zu vermarkten.

Abschließend wurde der Einfluss verschiedener Medienbestandteile wie Salze, Glucose, Proteine, Mikroorganismen und Antischaummittel analysiert und quantifiziert. Die Erkenntnisse erlauben somit Anwendern in Abhängigkeit des jeweiligen Bioprozesses und Enzymproduktes eine Einschätzung der Effektivität und ein Vergleich der ATPF mit herkömmlichen Aufreinigungsprozessen.