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Biotechnologie für Chemiker, Teil 9

Downstream-Processing, Part IV

Hochdruck-Extraktion

Bei dieser Art von Extraktion wird überkritisches Kohlendioxid als Extraktionsmittel eingesetzt. Der „überkritische“ Punkt liegt bei Kohlendioxid bei einer Temperatur von 31 Grad Celsius und 73,8 bar Druck.
Überkritische Gase, wie z. B. Kohlendioxid, haben keine Oberflächenspannung, d.h.sie benetzen alle Oberflächen, haben Dichte und gutes Lösungsvermögen von Fluiden sowie Viskosität, gute Kompressibilität und Diffusionsvermögen von Gasen.

Kohlendioxid ist nicht brennbar, leicht zu entfernen, physiologisch unbedenklich und in großen Mengen preiswert und in reiner Form verfügbar. Die niedrige Temperatur beim Einsatz von überkritschem Kohlendioxid ist für temperatur-sensitive Stoffe vorteilhaft. Lediglich der Druck kostet Energie und die Anlagenausstattung gehen ins Geld. Es wird zum teil bei Drücken bis zu 200 bar und Temperaturen über 31 Grad Celsius gearbeitet (fallabhängig).

Kohlendioxid als, nach aussen hin, unpolares Molekül eignet sich für die Extraktion von unpolaren Stoffen, wie z. B. Kohlenwasserstoffe (Carotine, Terpene, ...), Carbonsäureester, Ether, Triglyceride.

Die Extraktion von Coffein ist ein klassisches Beispiel für den technischen Einsatz von überkritischem Kohlendioxid. Weitere Beispiele wären noch die Extraktion von Hopfen, essentielle Öle, Aromen, ätherische Öle, Gewürze, Farbstoffe.

https://www.mothes-hdt.de/wp-content/uploads/2018/10/%C3%9Cbersichtsbericht-scCO2.pdf

Adsorption

Bei verdünnten wässrigen Lösungen, wie sie in der Biotechnologie vorkommen, bietet sich die Adsorption an, um Stoffe aus der wässrigen Phase an eine feste Oberfläche zu binden, als Abtrennungsvorgang sozusagen.

Die Adsorption ist im Allgemeinen abhängig von der Art des Adsorbats und seiner möglichen Wechselwirkungen mit dem Adsorbens, wie auch von der Struktur und Porosität des Adsorbens. Es wird unterschieden zwischen Physi- und Chemisorption. Die Physisorption mit den van der Waals – Kräften ist „recht locker“ und reversibel, während die Chemisorption deutlich stärkere Wechselwirkungen, wie z. B. Dipol-Dipol-, H-Brücken- elektrostatische Wechselwirkungen umfasst. Die Umkehrung der Adsorption ist die Desorption, also Lösen des adsorbierten Stoffes von der festen Oberfläche des Adsorbens.

Des weiteren gibt es Adsorptionsisothermen, von denen die Langmuir’sche mit der monomolekularen Belegung der Adsorbensoberfläche, am bekanntesten sein dürfte. Für Mehrschichtbelegung gibt es noch die Freundlich-Isotherme. Natürlich gibt es noch einige weitere, die hier aber nicht besprochen werden sollen.

Die Adsorption ist grundsätzlich ein Batch-Prozeß, der zudem auch noch langsam abläuft und daher eine gewisse Zeit benötigt. Damit die Totzeit einer Adsorbenssäule, in der gerade der Vorgang der Desorption abläuft, genutzt werden kann, werden generell zwei parallel geschaltete Adsorbenssäulen betrieben.

Auch bei der Adsorption gibt es die Möglichkeit mittels spezifischer Wechselwirkungen gezielt bestimmte Moleküle aus der wässrigen Phase herauszuholen. Meistens handelt es sich hier um Proteine bzw. Enzyme, die nach dem Schlüssel-Schloß-Prinzip „gebunden“ werden können. Über eine selektive Modifizierung des Adsorbens können die Zielmoleküle aus der wässrigen Phase entfernt und durch anschliessende Desorption freigesetzt werden.

Trotz alldem gibt es aber auch Probleme, denn die adsorbierten Moleküle können untereinander wechselwirken, mehrere verschiedene Proteine konkurrieren um denselben Platz, sie verbrauchen (sehr) viel mehr Platz als gedacht und sie verändern die Adsorption an der Adsorbensoberfläche, da sie diese chemisch modifizieren. Nach der Desorption ist die Substanz also noch nicht rein, sondern muss noch bis zur gewünschten Reinheit weiter aufgearbeitet werden.

Biotechnologie für Chemiker

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