Die aqueous two-phase flotation (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. Bei der ATPF werden Gasblasen in eine mit der Biosuspension beladene wässrige Unterphase eingetragen. An die aufsteigenden Blasen lagern sich Stoffe mit hydrophoben Bereichen an und flotieren so in eine wässrige Oberphase, wobei eine Aufreinigung und Aufkonzentrierung dieser Stoffe erfolgt. Durch die direkte Abtrennung des Produkts aus Fermentationsbrühen entfällt der meist kostenintensive Schritt der Zellabtrennung, sodass die ATPF zu einer erheblichen Prozessintensivierung führt.
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 Polyethylenglykol 1000 und Natriumcitrat. Dabei ist neben Wasser das Polymer der Hauptbestandteil der Ober- und Citrat der Unterphase. Durch das wässrige Milieu und die gewählten phasenbildenden Komponenten zeigt das System nicht nur eine hohe Biokompatibilität, sondern ist zudem umweltfreundlich. Der pH-Wert zeigte sich als ein Schlüsselparameter bei der ATPF. Für die Modellenzyme Phospholipase und Amylase konnte somit ein optimiertes Zweiphasen-System mit definierter Zusammensetzung, pH-Wert und Volumenverhältnis zwischen Ober- und Unterphase erarbeitet werden.
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 Bereich der Filtration. Diese bilden bei Beaufschlagung mit Druckluft nicht nur Gasblasen im idealen Größenbereich, sondern lassen sich ebenfalls leicht reinigen, wodurch ein gleichbleibendes Blasenbild erzielbar ist. Der Gaseintrag führt bei der ATPF zu dem Hauptmassentransfer der Enzymmoleküle in die Oberphase. Diffusionseffekte können zu Beginn der ATPF den Stoffübergang zusätzlich erhöhen, wirken gegen Ende der ATPF aber dem Transport durch die Gasblasen entgegen.
Um eine mögliche Rückdiffusion der Enzymmoleküle von der beladenen Oberphase in die aufgereinigte Unterphase zu vermeiden, konnte ein kontinuierlicher Austausch der Ober- und Unterphase realisiert werden. Die 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. Die Konstruktion des strömungsoptimierten, 3D-gedruckten Prototypen im Labormaßstab berücksichtigt die Übertragbarkeit auf größere Maßstäbe und erlaubt eine Pilotierung der kontinuierlichen ATPF.
Der Einfluss verschiedener Medienbestandteile wie Salze, Glucose, Proteine, Mikroorganismen und Antischaummittel konnte analysiert und quantifiziert werden. Die Erkenntnisse erlauben somit in Abhängigkeit des jeweiligen Bioprozesses und Enzymproduktes eine Einschätzung der Effektivität und ein Vergleich der ATPF mit herkömmlichen Aufreinigungsprozessen.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 02/2020 bis 01/2022 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Mechanische Verfahrens-Technik und Mechanik, Lehrstuhl für Verfahrenstechnische Maschinen (Straße am Forum 8, 76131 Karlsruhe, Tel. 0721/608-42404) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Hermann Nirschl (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.-Ing. Hermann Nirschl).
Das IGF-Vorhaben Nr. 21007 N 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 Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.