Das IGF-Vorhaben „Systematische Untersuchung der Flüssig-flüssig-Extraktion von Fermentationsbrühen mit biologischen Feststoffen“ (01.04.2022 – 30.09.2024, Verlängerung bis 31.07.2025) hatte zum Ziel, den Einfluss verfahrenstechnischer und biologischer Parameter auf die direkte Flüssig-Flüssig-Extraktion ohne vorherige Zellabtrennung zu untersuchen. Im Fokus stand die Bildung und Stabilität von Emulsionen (Mulm) zwischen der wässrigen Fermentationsbrühe und der organischen Lösungsmittelphase. Dabei wurde angenommen, dass insbesondere die Zelloberflächeneigenschaften, Ladung und Hydrophobie einen maßgeblichen Einfluss auf die Emulsionsbildung ausüben.
Zur effizienten Untersuchung wurde eine Mini-Batch-Absetzzelle (Mini-Batch-Settling-Cell) entwickelt, mit der bis zu 20 Proben parallel bei einem Volumen von nur 21 mL getestet werden können. Dadurch wurde ein schnelles, ressourcenschonendes Screening verschiedener Lösungsmittel ermöglicht. Vier Modellorganismen mit unterschiedlichen Zellwandcharakteristika, Corynebacterium glutamicum (gram+), Escherichia coli (gram−), Saccharomyces cerevisiae und Ustilago trichophora, wurden hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften untersucht. Hierfür kamen u.a. Zeta-Potential- und Wasserkontaktwinkelmessungen zum Einsatz. Durch Variation der Nährstoffkonzentrationen im Medium (Phosphat, Stickstoff, Magnesium) konnten gezielte Änderungen der Oberflächeneigenschaften nachgewiesen werden. Besonders eine Phosphatlimitierung bei C. glutamicum und E. coli führte zu hydrophileren Zelloberflächen. Die mit diesen Fermentationsbrühen durchgeführten Phasentrennversuche zeigten, dass Zelloberflächeneigenschaften einen entscheidenden Einfluss auf die Emulsionsstabilität haben und sich gezielt über die Medienzusammensetzung steuern lassen (z. B. geringere Phosphatkonzentration → hydrophilere Oberfläche → geringere Emulsionsbildung). Neben den Oberflächeneigenschaften erwiesen sich auch Zellkonzentration, Phasenverhältnis und Leistungseintrag bei der Dispergierung als maßgebliche Einflussgrößen.
Die Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen biologischen und verfahrenstechnischen Faktoren im Flüssig-Flüssig-System. Durch gezielte Anpassungen von Fermentation, Extraktion und Prozessführung konnten Strategien zur Reduktion der Emulsionsbildung aufgezeigt werden. Damit bietet das Projekt eine solide Grundlage für die Optimierung biotechnologischer Trennprozesse und trägt zur wirtschaftlicheren Gestaltung industrieller Anwendungen bei.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 04/2022 bis 07/2025 an der RWTH Aachen, Fakultät für Maschinenwesen Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (Forckenbeckstraße 51, 52074 Aachen, Tel. 0241/80-95490) unter der Leitung von Jörg Eberz (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr.-Ing. Andreas Jupke) und der RWTH Aachen, Aachener Verfahrenstechnik, Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (Forckenbeckstraße 51, 52074 Aachen, Tel. 0241/80-23569) unter der Leitung von Lara Strehl (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr.-Ing. Jørgen Magnus).
Das IGF-Vorhaben Nr. 01IF22343N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.