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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufarbeitung von koaleszenzgehemmten
Emulsionen aus Ganzzell-Biotransformationen mit Kohlendioxid gemäß Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Für
die biokatalytische Umsetzung von apolaren organischen Molekülen
wird häufig ein wässrig-organisches Zweiphasensystem
verwendet [1–5]. Dieses System erlaubt den Einsatz und
die Akkumulation von hohen Konzentrationen schlecht wasserlöslicher
Substrate und Produkte, wobei die organische Phase, bestehend aus
einem apolaren, nicht toxischen Lösungsmittel oder einem
Gemisch mehrerer Lösungsmittel als Substratreservoir und/oder
als Produktsenke dient. Zudem schützt die organische Phase
vor toxischen Effekten von Substraten und Produkten. Des Weiteren
kann die charakteristische Verteilung von Substraten und Produkten
in den beiden Phasen dazu genutzt werden, kinetische Produktinhibition
zu verhindern, Gleichgewichtsreaktionen in die gewünschte
Richtung zu lenken, die Enantioselektivität zu erhöhen
und Mehrschrittreaktionen zu kontrollieren.
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Typischerweise
werden solche Zweiphasensysteme stark emulgiert, um hohe Massentransferraten
zu erreichen. Gefördert wird die Bildung von stabilen Emulsionen
auch durch hohe Biokatalysator-Konzentrationen, speziell wenn ganze
mikrobielle Zellen eingesetzt werden. Hierbei treten hohe Konzentrationen
makromolekularer oberflächenaktiver Substanzen (Lipide,
Proteine, Polysaccharide, Biosurfactants, Zelltrümmer)
auf [6–9].
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Da
bei zweiphasigen Bioprozessen neben der Produktisolation aus ökonomischen
und ökologischen Gründen auch das Lösungsmittelrecycling
essentiell ist, müssen die zwei Phasen nach der Biotransformation
voneinander getrennt werden. Diese Phasentrennung hat sich bei stabilen
koaleszenzgehemmten Emulsionen, wie sie beim Einsatz von ganzen
mikrobiellen Zellen auftreten, als schwierig erwiesen. Verschiedene
Methoden zur Phasentrennung wie Zentrifugation, Membranfiltration,
Filterkoaleszenz, Zugabe von Deemulgatoren oder thermische Verfahren
lieferten unbefriedigende Resultate oder waren apparativ sowie zeitlich
sehr aufwendig [7]. Die aufwendige Phasentrennung gilt als eine Hauptlimitation
für die industrielle Implementierung von zweiphasigen Bioprozessen
mit ihrem großen ökonomischen wie auch ökologischen
Potenzial. Im Bereich der Phasentrennung bei zweiphasigen Ganzzellbiotransformationen
besteht also Innovationsbedarf.
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Typischerweise
werden die Systeme aus der Biotransformation durch Zentrifugation
zunächst grob getrennt. Anschließend werden mehrere
Filtrations- und (Ultra)zentrifugationsschritte durchgeführt, um
eine hinreichende Trennung zu erreichen. Die so sehr aufwändig
gewonnene organische Phase wird anschließend einer destillativen
oder extraktiven Aufarbeitung unterzogen, um das Wertprodukt abzutrennen
(Dabei kann jedoch keine hinreichende Phasentrennung erreicht werden.
Daher ist es nicht möglich, die wertprodukthaltige organische
Phase vollständig von der wässrigen Phase zu trennen,
was die weitere Aufarbeitung erheblich erschwert).
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Bei
anderen Trennverfahren wird versucht, nach einer groben mechanischen
Abtrennung von anderen Bestandteilen die Emulsion destillativ aufzureinigen,
wobei Probleme durch Fouling und Zweiphasigkeiten in der Kolonne
auftreten. Bei einem enzymatischen Verfahren wird die Emulsion durch
Einsatz von Hydrolasen mit guten Ergebnissen getrennt. Bis auf das
letztgenannte Verfahren sind alle bisherigen Verfahren nicht in
der Lage, eine definierte Phasentrennung zu erzielen. Eine vollständi ge
Abtrennung sowohl der Zellbestandteile, als auch der wässrigen
Phase von der organischen Phase ist bisher nicht möglich.
Die Abtrennung der Zellmasse ist dabei von großer Bedeutung,
da sie in nachfolgenden Prozessschritten zu Verkrustungen oder Verstopfungen
führen kann. Mit den geschilderten alternativen Lösungsansätzen
kann des Weiteren keine dauerhafte Trennung der Phasen erreicht
werden. Nachteilig bei den bisherigen Verfahren ist weiterhin neben
der hohen Anzahl an Aufreinigungsschritten der ggf. notwendige Einsatz
eines zur Extraktion verwendeten Lösungsmittels, das anschließend
wieder zurückgewonnen werden muss.
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Die
hier zur Diskussion stehende Trennung wässrig-organischer
Zweiphasensysteme sei im weiteren beispielhaft an der Trennung koaleszenzgehemmter
Emulsionen aus zweiphasigen Ganzzellbiotransformationen beispielsweise
in apolaren Lösungsmitteln beschrieben. Das hierbei nach
erfolgter Biotransformation vorliegende Reaktionsgemisch trennt
sich nicht spontan und liegt nach längerem Stehenlassen
im Wesentlichen wie in 1 dargestellt vor. Das Gemisch
besteht optisch aus drei Phasen, wobei eine milchige organisch/wässrige
Emulsion die obere Phase (I) bildet, die neben dem organischen Lösungsmittel
das Edukt, Nebenprodukte und das Produkt enthält. Des Weiteren
enthält diese Emulsion auch gelöste Bestandteile
und oberflächenaktive Stoffe (Salze, Nährstoffe,
Lipide, Proteine, Polysaccharide, Biosurfactants). Die zweite optisch
identifizierbare Phase (II) ist eine wässrige Phase, in
der sich die zur Kultivierung notwendigen Nährstoffe (die
teilweise auch noch in der Emulsion vorhanden sind) befinden und
aus welcher sich die Zellen/Biomasse (III) in einer dritten Phase
absetzen.
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Die
Komplexität des vorliegenden Reaktionsgemischs wird noch
deutlicher, wenn man versucht, das Zweiphasensystem durch konventionelle Verfahren
wie Zentrifugation zu trennen. So erhält man auch nach
langem Zentrifugieren das in 2 dargestellte
Erscheinungsbild. Nach längerer Zentrifugation des Gemisches
aus 1 ist der Einfluss der in der Emulsion vorliegenden
makromolekularen oberflächenaktiven Substanzen (Lipide,
Proteine, Polysaccharide, Biosurfactants, Zelltrümmer)
deutlich erkennbar. Während sich die in der wässrigen Phase
enthaltenen Zellen am Boden des Gefäßes absetzen
(IV), und die wässrige Phase (III) eine scharfe obere Phasengrenzfläche
aufweist, kann in der Emulsion (Phase I in 1) nur eine
unzureichende Trennung in eine organische Phase (I) und eine Inter-
bzw. Emulsionsphase (II) beobachtet werden.
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Es
sind verschiedene Anwendungsfälle bekannt, bei denen eine
Begasung einer Emulsion aus Öl und Wasser mittels CO
2 zur Trennung der beiden Bestandteile Öl
und Wasser verwendet wurde. So ist etwa aus der
DE 40 28 904 C1 oder der
DE 197 54 756 C1 jeweils
ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem sog. Kühlschmiermittel
zur Kühlung maschineller Bearbeitungsprozesse nach dem
Gebrauch auf diese Weise aufbereitet werden. Derartige Emulsionen
sind jedoch sehr einfach zu trennen, da es sich hierbei um nur relativ
instabile einfache Emulsionen aus zwei sich recht unterschiedlich
verhaltenden Stoffen handelt und in der Regel keine die Emulgation
stabilisierenden Bestandteile biochemischer Natur enthalten sind.
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Auch
in petrochemischen Prozessen treten vielfach "Öl in Wasser"-Emulsionen
[10, 11] auf, die beispielhaft etwa auch aus der
US 6 566 410 B1 bekannt
sind. Ähnliche Einsatzgebiete sind etwa aus der
DE 101 14 920 A1 zur
Extraktion von organischen Monomeren bekannt.
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Es
sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen mittels Kohlendioxid
Extraktionen von Biomaterialien vorgenommen werden, die in einphasigen
Substanzgemischen vorliegen (und Verunreinigungen aufweisen). Bei
derartigen Verfahren dient das Kohlendioxid jedoch als Träger
chemischer Substanzen, die die entsprechende Extraktion ausführen
und diese Verfahren können daher nicht mit der Entmischung
mehrphasiger Substanzgemische verglichen werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben,
mit dem die Bestandteile von koaleszenzgehemmten Emulsionen aus
Ganzzell-Biotransformationen derart voneinander getrennt werden
können, dass sich eine saubere und hinsichtlich des Mengendurchsatzes
ergiebige Trennung in kurzer Zeit durchführen lässt.
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Die
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in
Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Aufarbeitung einer koaleszenzgehemmten
Emulsion aufweisend Bestandteile aus Ganzzell-Biotransformationen
wie Zellen, lösliche Zellbestandteile, organische Lösungsmittel
und/oder Wasser. Hierbei wird in erfindungsgemäßer
Weise ein derartiges Verfahren dadurch weiter entwickelt, dass die
nach der Biotransformation stabile, koaleszenzgehemmte Emulsion
in einem Behälter mit Kohlendioxid im Überschuss
versetzt und bei erhöhtem Druck und erhöhten Temperaturen
für eine vorgebbare Zeitdauer gemischt wird, wonach sich
die wässrige und die organische Phase der Emulsion voneinander
trennen und sich die Zellen und Zellbestandteile sowohl der wässrigen
als auch der organischen Phase im Bereich von deren Grenzflächen
oder Phasengrenzflächen abscheiden und anschließend
separiert werden. Nach dem Zusetzen von Kohlendioxid vorzugsweise
im Überschuss (z. B. von etwa 3 Massenanteilen komprimiertem
Kohlendioxid je Massenanteil Emulsion) und vorzugsweise unter einem
Druck von z. B. etwa 115 bar und bei einer Temperatur von z. B. etwa
45°C wird die Emulsion für vorzugsweise 2 Minuten
intensiv mit dem Kohlendioxid gemischt. Je höher die verwendete
Temperatur hier gewählt wird, umso höher sollte
auch der Druck gewählt werden. Nach dem Abstellen des Mischers
ist anschließend eine scharfe Trennung der wässrigen
und organischen Phase zu beobachten, wobei sich Zellbestandteile
an den Grenzflächen der Phasen (etwa auch an einer Grenzfläche
zu einem Behälter oder dgl.) sowohl am unteren Ende der
wässrigen Phase und der organischen Phase abscheiden. Diese
Zellbestandteile können nun einfach abgetrennt werden,
da sie im Gegensatz zur Ursprungsemulsion schneller sedimentieren.
Auch nach der Druckentspannung trennen sich die Phasen selbst nach
wiederholter Durchmischung wieder schnell voneinander. Die wertprodukthaltige,
organische Phase kann anschließend effizient, zum Beispiel
durch überkritische Extraktion, aufgearbeitet werden. Das
erfindungsgemäße Verfahren bietet dabei ein enormes
Potential, Emulsionen aus biokatalytischen Prozessen (wie z. B.
Ganzzell-Biotransformationen unter Verwendung von Mikroorganismen
als Katalysatoren) zu trennen und mit geringem apparativem Aufwand
und kostengünstig aufzuarbeiten. Dabei kann durch Verwendung
von komprimiertem Kohlendioxid als Lösungsmittel eine hohe
Effizienz in weiteren Verfahrensschritten erzielt werden. Die Wirkung
des Kohlendioxids basiert dabei wohl vornehmlich auf einer rein
physikalischen Wechselwirkung mit den Bestandteilen der Emulsion, die
zu einer gezielten Entmischung der Phasen (und Komponenten) der
Emulsion führt und damit das sonst schwer auftrennbare
Gemisch der Phasen (und Bestandteile) überhaupt erst technisch
sinnvoll separierbar macht. Das hier vorgeschlagene Verfahren zur
Aufarbeitung von Emulsionen aus Ganzzell-Biotransformationen mit
komprimiertem Kohlendioxid liefert dadurch eine erhebliche Verbesserung bei
der Aufreinigung der beschriebenen Reaktionsgemische. Schon nach
kurzer Durchmischung (2 min) der Emulsion mit dem Kohlendioxid stellt
sich das in 3 dargestellte Phasenverhalten
ein. Nach Einkomprimieren von Kohlendioxid in das Reaktionsgemisch
ist nicht nur zu erkennen, dass sich die in der wässrigen
Phase (III) befindlichen Zellen (IV) am Boden des Gefäßes
absetzen, sondern auch, dass sich die in der Inter-/Emulsionsphase
befindlichen Zellfragmente/Makromoleküle (II) an der Phasengrenzfläche
zwischen einer organischen Phase (I) und einer wässrigen
Phase (III) sammeln. Dies geschieht nach Abschalten des Rührers
innerhalb kürzester Zeit (typischerweise weniger als 2
Minuten). Das Volumenverhältnis von organischer zu wässriger Phase
beträgt dabei vorteilhaft 1:1. Der durch die Aufarbeitung
mit komprimiertem Kohlendioxid erhaltene Trennungszustand bleibt
dabei auch nach Entspannung und Ausgasen des Kohlendioxids (und
erneuter Mischung) erhalten, so dass eine nachfolgende Separation
sowohl bei Atmosphärendruck wie auch unter erhöhtem
Druck stattfinden kann. Aus Gründen der Energieeffizienz
kann es hier jedoch sinnvoll sein, eine weitere Trennung unter erhöhtem Druck
vorzuziehen. Dies begründet sich vor allem daraus, dass
neben konventionellen Trennverfahren zur Aufreinigung des Wertproduktes
aus der organischen Phase auch eine Extraktion mit komprimiertem Kohlendioxid
in Frage kommt.
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Von
besonderem Vorteil ist es dass die Zellen und Zellbestandteile sich
am unteren Ende sowohl der wässrigen als auch der organischen
Phase abscheiden. Hierdurch lässt sich gerätetechnisch einfach
ein gezieltes Abziehen dieser Bestandteile (Phasen und Feststoffe)
der Emulsion erreichen und eine entsprechende Verschleppung nicht
gewünschter Bestandteile in die einzelnen Fraktionen vermeiden.
Insbesondere können diese getrennten Phasen einer weiteren
Aufreinigung insbesondere zur Gewinnung einer in zumindest einer
der Phasen enthaltenen Wertsubstanz unterzogen werden. Als Wertsubstanz
ist dabei jede Substanz innerhalb der Emulsion anzusehen, die ein
gewolltes Ergebnis des biokatalytischen Prozesses darstellt und
für eine entsprechende Verwendung in üblicherweise
technisch bedingten Mengen zur Verfügung gestellt werden
soll.
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Selbstverständlich
ist es ebenfalls denkbar, dass aus der entmischten Emulsion auch
die wässrige Phase mit den abgeschiedenen Zellen und Zellbestandteilen
sowie die organische Phase mit den abgeschiedenen Zellen und Zellbestandteilen
separat abgezogen und jeweils getrennt einer weiteren Aufreinigung
etwa durch Verfahren der Sedimentation oder dgl. zur Gewinnung der
Zellen oder Zellbestandteile unterzogen werden kann.
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In
einer ersten denkbaren Ausgestaltung kann die Emulsion in sog. Batchbetrieb
in einem Behälter mit dem Kohlendioxid gemischt werden,
woraufhin die Phasen sich in dem gleichen Behälter nach dem
Mischen trennen und eine in dem Behälter geschichtete Anordnung
der einzelnen Phasen oder Bestandteile bilden, wonach die Phasen
oder Bestandteile aus den einzelnen Schichten separat aus dem Behälter
abgezogen werden. Hierdurch ist nur ein einziger Behälter
zur Mischung der Emulsion mit dem Kohlendioxid sowie zur Trennung
der einzelnen Fraktionen erforderlich, wodurch der gerätetechnische
Aufwand minimiert wird.
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Für
eine kontinuierliche Trennung ist es in einer anderen Ausgestaltung
auch denkbar, dass die Emulsion in einem ersten Behälter
mit dem Kohlendioxid intensiv gemischt wird und die dadurch hergestellte
homogene Mischung aus Emulsion und Kohlendioxid in einen zweiten
Behälter verbracht wird, in dem sich die Phasen, vorzugsweise
bei langsamem Rühren, trennen und eine im zweiten Behälter
geschichtete Anordnung der einzelnen Phasen oder Bestandteile bilden,
wonach die Phasen oder Bestandteile aus den einzelnen Schichten
separat aus dem zweiten Behälter abgezogen werden. Allerdings ist
diese Lösung regelungstechnisch problematisch, da die Füllstände
im zweiten Behälter und somit die Lage der Phasengrenzflächen
konstant gehalten werden müssen.
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In
einer weiteren denkbaren Ausgestaltung zur Behebung dieses Problems
wird die Emulsion in einem ersten Behälter mit dem Kohlendioxid
intensiv gemischt und die homogene Mischung aus Emulsion und Kohlendioxid
in einen zweiten Behälter verbracht, in dem sich die wässrige
und die organische Phase, vorzugsweise bei langsamem Rühren,
voneinander trennen, wonach die wässrige und die organische
Phase separat aus dem zweiten Behälter in weitere Behälter
abgezogen werden, in denen sich dann die Zellen und Zellbestandteile
der wässrigen und der organischen Phase sowie das Kohlendioxid abtrennen
lassen. Damit können die genannten Probleme der Prozesssteuerung
verringert bzw. vermieden werden.
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Denkbar
ist es weiterhin, dass hierbei im ersten Behälter ein erhöhter
Druck und eine erhöhte Temperatur herrschen und im zweiten
Behälter die Trennung unter Umgebungsbedingungen abläuft.
Je nach zu verarbeitender Emulsion kann es aber auch durchaus sinnvoll
sein, wenn in beiden Behältern ein erhöhter Druck
und eine erhöhte Temperatur herrschen.
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Hinsichtlich
der Einbindung der Trennung gemäß vorstehend geschildertem
Verfahren in einen Gesamtablauf zur Gewinnung der einzelnen Fraktionen
der Emulsion kann es sinnvoll sein, wenn nach der Biotransformation
und vor der Trennung der Emulsion in die einzelnen Phasen eine direkte
Aufarbeitung der Emulsion zur Gewinnung einer Wertsubstanz erfolgt.
Hierdurch kann eine frühzeitige Abtrennung der Wertsubstanz
herbeigeführt werden, die damit materialschonend erfolgt
und wonach eine einfache Abtrennung der festen Bestandteile der
Emulsion oder ein Recycling des Lösungsmittels erfolgen kann.
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Denkbar
ist es hierbei, dass die Aufarbeitung einen Extraktionsschritt zur
Gewinnung einer Wertsubstanz, vorzugsweise aus der organischen Phase der
Emulsion beinhaltet. Derartige Extraktionen, auch unter Verwendung überkritischen
Kohlendioxids sind grundsätzlich bekannt und dienen z.
B. vielfach zur Gewinnung von einzelnen Substanzen aus Pflanzenbestandteilen
wie etwa bei der Gewürzgewinnung. Hierbei kann in weiterer
Ausgestaltung die Wertsubstanz direkt aus der Emulsion herausgetrennt
und separat und/oder mit Verunreinigungen gemeinsam abgezogen werden.
Sinnvoll ist es hierbei, wenn nur die extrahierte Wertsubstanz und
die organischen Lösemittel sowie Kohlendioxid aus der Emulsion
heraus getrennt und separat abgezogen werden, um in einer gezielten
Aufarbeitung eine vollständige Abtrennung der Wertsubstanz
unter Rückgewinnung von Lösemittel und Kohlendioxid
herbeizuführen.
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Von
Vorteil ist es weiterhin, wenn die Restemulsion in einer der direkten
Extraktion der Wertsubstanz nachfolgenden Trennung unter Zugabe
von Kohlendioxid weiter aufgetrennt und die Bestandteile der Restemulsion
getrennt abgezogen werden.
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Auch
hierdurch können erneut benutzbare Substanzen gezielt wiedergewonnen
werden.
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Denkbar
ist es insbesondere, dass die Trennung von Wertsubstanz und Kohlendioxid
durch schelle Druckabsenkung der aus der Emulsion heraus getrennten
Bestandteile vorgenommen wird. Hierdurch gast das Kohlendioxid aus
der Mischung mit der Wertsubstanz aus und kann in sehr reiner Form
und auf energetisch einfache Weise wiedergewonnen werden.
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Denkbar
ist es auch, dass nach der Trennung der Emulsion mittels Kohlendioxid
eine Aufarbeitung nur der Phase mit den darin vorhandenen Zellbestandteilen
durch ein Trennverfahren erfolgt, bei dem die Wertsubstanz und/oder
Kohlendioxid von dem Lösungsmittel getrennt werden.
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Als
Trennverfahren kann etwa eine Extraktion mittels überkritischem
Kohlendioxid durchgeführt werden. Hierzu kann das bereits
bei der Zell-/Emulsionstrennung verwendete Kohlendioxid auch zur
Extraktion verwendet werden. Dieses lässt sich nach der
erfolgten Extraktion durch Druckerniedrigung leicht wieder zurückgewinnen
und erneut im Prozess einsetzen.
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Alternativ
zu Aufarbeitungen, die eine Extraktion enthalten, kann als Trennverfahren
zur Trennung der Wertsubstanz aus einer organischen Phase ohne biogene
Bestandteile auch mindestens ein Verfahrensschritt aus Chromatographie,
Kristallisation, Destillation, Adsorption, Absorption, Membranverfahren
oder Filtration oder Kombinationen dieser Methoden verwendet werden.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens zeigt die Zeichnung.
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Es
zeigen:
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1 – typische
Anordnung der Phasen in einem Reaktionsgemisch nach der Biotransformation und
nach Settling,
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2 – typische
Anordnung der Phasen in einem Reaktionsgemisch gemäß 1 nach
längerer Zentrifugation,
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3 – typische
Anordnung der Phasen in einem Reaktionsgemisch nach der Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
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4 – eine
erste bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung
der koaleszenzgehemmten Emulsion,
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5 – eine
andere bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung
der koaleszenzgehemmten Emulsion in zwei Schritten,
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6 – eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung
der koaleszenzgehemmten Emulsion,
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7 – eine
erste Möglichkeit zur Realisierung der Produktaufarbeitung
durch Emulsionstrennung nach erfolgter Extraktion des Wertproduktes,
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8 – eine
andere Möglichkeit zur Realisierung der Produktaufarbeitung
durch Emulsionstrennung vor einer Extraktion des Wertproduktes,
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9 – eine
weitere Möglichkeit zur Realisierung der Produktaufarbeitung
durch Emulsionstrennung vor einer Isolation des Wertproduktes durch einen/mehrere
weitere(n) Trennschritt(e),
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10 – Extraktionsverhalten
der Emulsion für eine Beispiellösung.
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In
den 4 bis 10 sind diverse Verfahrensabläufe
aufgezeigt, mit denen eine aus einer Biotransformation entstandene
Emulsion in ihre einzelnen Bestandteile separiert werden kann, wobei
dieses Verfahren auch für den großtechnischen
Einsatz besonders geeignet ist.
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Im
vorgestellten Verfahren wird die Zellsuspension aus einer Biotransformation
(Phasen I, II und III aus 1) direkt
in einen Druckbehälter gegeben (6) und auf
ca. 45°C temperiert. Anschließend wird mit einer
geeigneten Vorrichtung Kohlendioxid der Emulsion zudosiert, bis
der Kohlendioxid-Anteil bezogen auf die Gesamt masse etwa 75% beträgt. Der
Druck der Mischung wird auf etwa 115–120 bar erhöht
und diese für mindestens zwei Minuten intensiv durchmischt.
Nach Abstellen des Rührers stellt sich die gewünschte
Phasen- und Zellseparation im Druckbehälter ein, wie diese
in 3 schematisch dargestellt ist. Hierbei stellt
die Phase IV eine aus der wässrigen Phase III abgetrennte
Menge an Zellen dar. Anschließend kann das erhaltene System
einer einfachen Trennung in einer oder zwei Settler-Einheiten unterzogen
und/oder die organische Phase direkt einer nachfolgenden überkritischen
Extraktion mit Kohlendioxid zugeführt werden, um daraus
das eigentliche Wertprodukt zu erhalten.
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Es
konnte beobachtet werden, dass die Phasentrennung auch nach Ablassen
des Kohlendioxids erhalten bleibt. So kann anschließend
auch bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur eine wesentlich
verbesserte und schnellere Phasenseparation beobachtet werden. Die
vormals in der Emulsion befindlichen Zellbestandteile (Phase I in 1 und Phase
II in 2) befinden sich nun an der Phasengrenzfläche
zwischen wässriger Phase (Phase II in 1 und
Phase III in 2) und organischer Phase (Phase
I in 2 und 3) und können leicht
abgetrennt werden (Phase II und für die Zellen Phase IV in 3).
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Untersuchungen
an den Interphasen zwischen organischer Phase und wässriger
Phase haben gezeigt, dass eine Veränderung feststellbar
ist. So ist bereits bei 100-facher Vergrößerung
unter dem Mikroskop zu erkennen, dass in der Emulsion vor der Behandlung
mit Kohlendioxid eine Agglomeration der Zellbestandteile an der
Phasengrenzfläche stattfindet. Nach der Behandlung mit
komprimiertem Kohlendioxid ist dies unter dem Mikroskop bei gleicher Vergrößerung
nicht mehr festzustellen. Es liegen im Gegenteil scharfe Phasengrenzflächen
vor, wobei die vermutlichen Zellbestandteile homogen im unteren
Bereich der organischen Phase I vorliegen.
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Durch
Verwendung von komprimiertem Kohlendioxid kann nach der Trennung
der Emulsion eine Extraktion der Wertsubstanz durchgeführt
werden, sofern sich die Wertsubstanz bei den gegebenen Bedingungen
im Kohlendioxid löst.
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Die
beschriebene Aufarbeitung der Emulsion mit Kohlendioxid kann in
einem oder in mehreren Schritten erfolgen. In den 4 bis 6 sind
hierfür mögliche Varianten skizziert.
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Die
Trennung der koaleszenzgehemmten Emulsion durch eine Mixer-Settler-Einheit,
wie in 4 gezeigt, ist regelungstechnisch problematisch, da
die Füllstände und somit die Lage der Phasengrenzflächen
konstant gehalten werden müssen, kommt aber mit wenigen
Behältern aus. Hierzu wird das Reaktionsgemisch zusammen
mit Kohlendioxid unter erhöhtem Druck und erhöhter
Temperatur in einen Druckbehälter M1 gegeben und dort intensiv durchmischt.
Anschließend wird die homogene Emulsion in Behälter
B1 gegeben, wo sich unter langsamem Rühren mit dem motorbetriebenen
Mixer M eine Phasentrennung einstellt. Die jeweiligen Phasen können
danach direkt abgezogen werden, um sie einer weiteren Aufreinigung
zu unterziehen.
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Eine
einfachere Regelung lässt sich realisieren, wenn man die
Phasenseparation nach dem Mixer M nochmal unterteilt und zunächst
nur die organische Phase mit Zellfragmenten/Makromolekülen
von der wässrigen Phase mit Zellen/Biomasse trennt. Anschließend
werden dann die festen Bestandteile aus den jeweiligen Phasen durch
Sedimentation abgeschieden. Dieses Verfahren ist in 5 skizziert. Hierin
wird das Reaktionsgemisch zusammen mit Kohlendioxid unter erhöhtem
Druck und erhöhter Temperatur in einen Druckbehälter
M1 gegeben und dort intensiv durchmischt. Anschließend
wird die homogene Emulsion in Behälter B1 gegeben, wo sich unter
weiterem Rühren eine Phasentrennung zwischen organischer
Phase mit Zellfragmenten/Makromolekülen und wässriger
Phase mit Zellen/Biomasse einstellt. Die jeweiligen Phasen können
danach in die Behälter B2–B4 überführt
werden. In den Behältern B3 und B4 werden nun die Feststoffe
durch Sedimentation abgetrennt.
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Neben
dem kontinuierlichen Betrieb in einer Mixer-Settler-Einheit, ist
dabei auch der Batchbetrieb in einem einzigen Behälter
denkbar, in dem zuerst für eine gewisse Zeit das Reaktionsgemisch
unter Zudosierung von komprimiertem Kohlendioxid durchmischt wird
und nach Abschaltung des Rührers/Homogenisierers M die
gravimetrische Trennung abgewartet wird. Auch hier können
die jeweiligen Phasen danach direkt abgezogen werden (siehe 6).
Das Reaktionsgemisch wird zusammen mit Kohlendioxid unter erhöhtem
Druck und erhöhter Temperatur in einen Druckbehälter
gegeben und für eine bestimmte Zeit intensiv durchmischt.
Anschließend wird der Rührer/Homogenisierer M
abgeschaltet/verlangsamt, so dass sich eine Phasen trennung einstellt.
Die jeweiligen Phasen können danach direkt abgezogen werden,
um sie einer weiteren Aufreinigung zu unterziehen.
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Mit
den durch eine der drei Varianten erhaltenen reinen Fraktionen kann
nun weiter verfahren werden.
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Für
den Gesamtprozess einer Gewinnung der Wertsubstanz unter gleichzeitig
möglichst vollständiger Rückgewinnung
der Prozesssubstanzen kann es sinnvoll sein, die Trennung der Emulsion
vor oder nach einer weiteren Aufarbeitung, z. B. einer Extraktion,
des Wertproduktes durchzuführen. Alternativen zur Durchführung
einer Produktaufarbeitung ausgehend von der Biotransformation hin
zum reinen Wertprodukt sind in den 7 bis 9 dargestellt.
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Das
in 7 dargestellte Verfahren bietet dabei den Vorteil,
dass das Wertprodukt direkt aus der Emulsion extrahiert werden kann.
Ausgehend von der Biotransformation wird die Emulsion unmittelbar
in eine Extraktion überführt. Hier wird, z. B. durch
komprimiertes Kohlendioxid unter erhöhtem Druck und erhöhter
Temperatur, das Wertprodukt direkt extrahiert. Durch Absenkung des
Druckes fällt das Wertprodukt aus und das Kohlendioxid
kann recycelt werden. Die verbliebene Emulsion wird der beschriebenen
Phasentrennung mit komprimiertem Kohlendioxid unterzogen, wodurch
in weiteren Schritten eine einfache Abtrennung der festen Bestandteile,
sowie ein Recycling des Lösungsmittels erfolgen können.
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Allerdings
ist der der Extraktion zugeführte Massenstrom groß.
Vorheriges Abtrennen der wässrigen Phase, in der sich typischerweise
so gut wie kein Wertprodukt befindet, kann diesen Massenstrom erheblich
reduzieren, was zu einer effizienteren Aufarbeitung führen
kann, wie dies in 8 dargestellt ist. Ausgehend
von der Biotransformation wird die Emulsion der beschriebenen Phasentrennung
mit komprimiertem Kohlendioxid unterzogen, wobei die wässrige
Phase mit Zellen/Biomasse abgetrennt wird. Die verbleibende organische
Phase wird einem weiteren Aufreinigungsschritt (z. B. einer Extraktion mit
komprimiertem CO2) unterzogen, bei dem die
in der organischen Phase enthaltenen Feststoffe durch Sedimentation
abgetrennt werden
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Alternativ
zu Aufarbeitungen, die eine Extraktion enthalten, sind, sofern die
organische Phase nach der Phasentrennung mit komprimiertem Kohlendioxid
frei von bio genen Stoffen vorliegt, auch andere Trennverfahren oder
beliebige Kombinationen davon zur Isolation des Wertproduktes möglich.
Hierzu eignen sich verschiedenste Verfahren wie Chromatographie,
Kristallisation, Destillation, Adsorption, Absorption, Membranverfahren,
und Filtration. Allgemein ist diese Variante in 9 dargestellt.
Ausgehend von der Biotransformation wird die Emulsion der beschriebenen
Phasentrennung mit komprimiertem Kohlendioxid unterzogen, wodurch
die wässrige Phase mit Zellen/Biomasse abgetrennt wird.
Die verbleibende organische Phase wird einem weiteren Aufreinigungsschritt
unterzogen, bei dem die in der organischen Phase enthaltenen Feststoffe
durch Sedimentation abgetrennt werden. Anschließend wird die
so erhaltene reine organische Phase einem/mehreren weiteren Trennschritt(en)
zur Gewinnung des Wertproduktes unterzogen.
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In
der 10 ist beispielhaft das Extraktionsverhalten der
Emulsion bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
aufgezeigt. Aufgetragen ist die Konzentration der angegebenen Stoffe
in der organischen Phase. Es ist zu erkennen, dass die mit 75 Massen-%
CO2-behandelte Emulsion im Gegensatz zur
ursprünglichen Emulsion eine wesentlich verminderte Konzentration
an der Wertsubstanz Styroloxid aufweist.
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Betrachtet
wurde beispielhaft ein Zweiphasensystem nach der Phasentrennung
gemäß des zuvor vorgeschlagenen Verfahrens. Dieses
bestand aus einer wässrigen Phase, sowie Bis-2(ethylhexyl)phthalat
als Hauptbestandteil der organischen Phase, in der neben dem Wertprodukt
Styroloxid auch Oktan, Styrol sowie 2-Phenylethanol vorhanden waren.
Beide Phasen wurden vor bzw. nach Behandlung mit Kohlendioxid mittels
Gaschromatographie analysiert. Die Konzentration der Wertsubstanz
Styroloxid in der organischen Phase ging durch die Behandlung mit
Kohlendioxid stark zurück; in der wässrigen Phase
konnte Styroloxid gar nicht nachgewiesen werden. Styroloxid wurde
offensichtlich in die kohlendioxidreiche Phase extrahiert.
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Referenzen
-
- [1] R. Leon, P. Fernandes, H. M. Pinheiro, and J.
M. S. Cabral, "Whole-cell biocatalysis in organic media," Enzyme
and Microbial Technology, vol. 23, pp. 483–500, DEC 15
1998.
- [2] M. D. Lilly, "Two-liquid-phase biocatalytic reactions,"
Journal of Chemical Technology and Biotechnology, vol. 32, pp. 162–169,
1982.
- [3] P. Nikolova and O. P. Ward, "Whole cell biocatalysis
in nonconventional media," Journal of Industrial Microbiology, vol.
12, pp. 76–86, FEB 1993.
- [4] G. J. Salter and D. B. Kell, "Solvent selection
for whole-cell biotransformations in organic media," Critical Reviews
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- [5] B. Bühler and A. Schmid, "Process implementation
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of Biotechnology, vol. 113, pp. 183–210, SEP 30 2004.
- [6] H. M. Van Sonsbeek, H. H. Beeftink, and J. Tramper,
"Two-liquid-phase bioreactors," Enzyme and Microbial Technology,
vol. 15, pp. 722–729, Sep 1993.
- [7] A. Kollmer, "Verfahrenstechnische Aspekte bei zweiphasigen
Bioprozessen," in Institute of Biotechnolgy Zurich: Swiss Federal
Institute of Technology, 1997, p. 202.
- [8] R. G. Mathys, "Bioconversion in two-liquid phase systems:
downstream processing," in Institute of Biotechnolgy Zurich: Swiss
Federal Institute of Technology, 1997, p. 174.
- [9] A. Schmid, "Two-liquid phase bioprocess development.
Interfacial mass transfer reates and explosion safety," in Institute
of Biotechnolgy Zurich: Swiss Federal Institute of Technology, 1997.
- [10] S. D. Yeo and A. Akgerman, "Supercritical Extraction
of Organic Mixtures from Aqueous-Solutions," Aiche Journal, vol.
36, pp. 1743–1747, Nov 1990.
- [11] N. N. Zaki, R. G. Carbonell, and P. K. Kilpatrick, "A
novel process for demulsification of water-in-crude oil emulsions
by dense carbon dioxide," Industrial & Engineering Chemistry Research,
vol. 42, pp. 6661–6672, Dec 10 2003.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4028904
C1 [0009]
- - DE 19754756 C1 [0009]
- - US 6566410 B1 [0010]
- - DE 10114920 A1 [0010]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - R. Leon, P.
Fernandes, H. M. Pinheiro, and J. M. S. Cabral, "Whole-cell biocatalysis
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of Biotechnology, vol. 113, pp. 183–210, SEP 30 2004 [0056]
- - H. M. Van Sonsbeek, H. H. Beeftink, and J. Tramper, "Two-liquid-phase
bioreactors," Enzyme and Microbial Technology, vol. 15, pp. 722–729, Sep
1993 [0056]
- - A. Kollmer, "Verfahrenstechnische Aspekte bei zweiphasigen
Bioprozessen," in Institute of Biotechnolgy Zurich: Swiss Federal
Institute of Technology, 1997, p. 202 [0056]
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downstream processing," in Institute of Biotechnolgy Zurich: Swiss
Federal Institute of Technology, 1997, p. 174 [0056]
- - A. Schmid, "Two-liquid phase bioprocess development. Interfacial
mass transfer reates and explosion safety," in Institute of Biotechnolgy
Zurich: Swiss Federal Institute of Technology, 1997 [0056]
- - S. D. Yeo and A. Akgerman, "Supercritical Extraction of Organic
Mixtures from Aqueous-Solutions," Aiche Journal, vol. 36, pp. 1743–1747,
Nov 1990 [0056]
- - N. N. Zaki, R. G. Carbonell, and P. K. Kilpatrick, "A novel
process for demulsification of water-in-crude oil emulsions by dense
carbon dioxide," Industrial & Engineering
Chemistry Research, vol. 42, pp. 6661–6672, Dec 10 2003 [0056]