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Biotechnologie für Chemiker, Teil 8

Downstream-Processing, Part III

Verdampfen

Sind bei einer Aufarbeitung eines biotechnologischen Umsatz‘ Lösungsmittel als Produkt (Ethanol, Aceton, Butanol) vorhanden, so können diese im Vakuum bei niedriger Temperatur, d.h. unter 40 °C, abdestilliert werden. Allerdings gibt es überwiegend „Temperatursensitive Produkte“ in der Biotechnologie, so dass die Verdampfung recht selten in Frage kommt. Wenn ein Produkt über Verdampfung gewonnen wird, dann kommen Vakuum-Umlauf-, Dünnschicht- oder Zentrifugalverdampfer mit kurzen Verweilzeiten (ca. 1 s) zum Einsatz.

Extraktion

Der Vorgang der Extraktion hat in der Biotechnologie eine viel größere Bedeutung, da hier nicht nur flüssige, sondern auch feste Stoffe, die in Lösung vorliegen, abgetrennt und dann anschließend weiter aufgearbeitet werden können. Es gibt zwei Formen der Extraktion, nämlich die Fest-Flüssig- und die Flüssig-Flüssig-Extraktion. Jede Person, die sich eine Kaffee oder Tee zubereitet, führt eine Fest-Flüssig-Extraktion durch. Aus dem chemischen Labor kennt man den Soxhlet-Extraktor, mit dem kontinuierlich mit einem Lösungsmittel einen Feststoff extrahiert werden kann.

Bei der Aufarbeitung von Fermenterbrühen kommt die Flüssig-Flüssig-Extraktion zur Anwendung, und zwar indem ein Produkt von der wässrigen Phase in eine organische Phase überführt wird. Hierbei spielt der Verteilungskoeffizient eine große Rolle, denn er stellt das Verhältnis der Löslichkeiten des Stoffs in der wässrigen und in der organischen Phase dar. Der Verteilungskoeffizient zeigt bei manchen Stoffen, wie z. B. Antibiotika, eine ausgeprägte pH-Abhängigkeit. Das Lösungsmittel sollte so gewählt werden, dass sich möglichst viel Produkt in der organischen Phase löst und sich zwei Phasen bilden. Letzteres ist nicht immer der Fall.

In einem Dreiecksdiagramm eines ternären Stoffsystems wird das Zweiphasengebiet vom Einphasengebiet durch eine Binode abgegrenzt. Die Binode beinhaltet Punkte mit bestimmter Zusammensetzung, die miteinander im Gleichgewicht stehen. Die Verbindungslinie wird Konode genannt. Es gibt viele Konoden in einem Zweiphasengebiet. Nur bei einer ternären Mischung, die mit ihrer Zusammensetzung im Zweiphasengebiet liegt, tritt Phasenseparation auf. Es liegt dann eine mit Produkt angereicherte organische Phase und eine Produkt-abgereicherte wässrige Phase vor. Die Zusammensetzung der Phase kann über drei Molenbrüche für die zwei Lösungsmittel und den gelösten Stoff ausgedrückt und über das Dreiecksdiagramm bestimmt werden.

Während im Labormaßstab der Schütteltrichter zum Einsatz kommt, sind es im technischen Bereich Mischer bzw. Mixer, die, wie in den Rührwerken von Bioreaktoren, für eine homogene Verteilung bzw. Dispersion der organischen Phase in der wässrigen Phase sorgen. Wichtig ist hierbei die Entstehung einer großen Grenzfläche zwischen den beiden Phasen, was für einen intensiven Austausch von Komponenten unabdingbar ist. Dies zeigt die Notwendigkeit einer turbulenten Strömung für die Dispersion der organischen Phase in der wässrigen Phase. Anschließend kommt das Ganze in einen Abscheider bzw. Settler, in dem sich die beiden Phasen trennen und separat abgezogen werden. Die organische Phase wird als Extrakt und die wässrige Phase als Raffinat bezeichnet.

Auch der Zentrifugalextraktor kommt hier zum Einsatz, der bautechnisch einer Röhrenzentrifuge gleicht. Dieser kann kontinuierlich betrieben werden und trennt die organische von der wässrigen Phase. Weitere technische Anlagen sind Extraktionskolonnen die im Gegenstromprinzip betrieben werden, d.h. die wässrige Phase wandert von oben nach unten und die organische Phase von unten nach oben. Als Beispiele hierfür sind Füllkörper-, Siebboden-, Karr-, und Drehscheibenkolonnen, zu nennen. Bei all diesen wird für eine intensive Durchmischung der beiden Phasen gesorgt, damit die Ausbeute bei dem Extraktionsprozess möglichst hoch ist. Es gibt auch Mixer-Settler-Batterien, die bis zu neun Stufen Gegenstrom-Extraktion umfassen und im Pharmabereich eingesetzt werden.

Last not least kann die Extraktion auch als Verfahrensbestandteil in den Fermentationsprozess integriert sein. Hier muss allerdings sichergestellt sein, dass das organische Lösungsmittel keinen nennenswerten Einfluss auf die Bioreaktorbrühe mit den Mikroorganismen aufweist. Bekannterweise können auch kleine Lösungsmittelmengen in der wässrigen Phase einen Effekt bei den eingesetzten Zellen bei der Submersfermentation haben, und zwar in dem Sinne dass sie die biochemischen Umsetzungen, die von Enzymen katalysiert werden, beeinflussen.

Der Extrakt beinhaltet nicht nur das Produkt, sondern noch weitere Komponenten, die sich in geringerem Maße in der organischen Phase lösen. Es schließen sich weitere Schritte zur Aufreinigung (Adsorption, Chromatographie, Membranverfahren) an, wobei parallel immer analysiert wird, wie hoch der Reinheitsgrad des Produkts ist.

Biotechnologie für Chemiker

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