DE10236664A1

DE10236664A1 - Verfahren und Vorrichtung zur adsorptiven Stofftrennung

Info

Publication number: DE10236664A1
Application number: DE10236664A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. Nussbaumer; Wolfgang Dr. Demmer
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-08-10
Also published as: US20040026322A1; DE10236664B4; US20080128358A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlich durchführbaren adsorptiven Stofftrennung in flüssigen Medien, bei welchem ein flächiges Adsorbens mit einem Adsorbenden beladen wird, indem das den Adsorbenden enthaltende Medium mit der gesamten adsorptiv wirksamen äußeren Oberfläche des Adsorbens ohne Zwangsdurchströmung in Kontakt gebracht wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Nach dem Stand der Technik sind folgende grundsätzlichen Adsorptionsverfahren bzw. zu deren Ausführung angewandte Grundtypen von Adsorbern bekannt:

(i) Die Säulenchromatographie, bei der die interpartikulären Bereiche einer Schüttung eines partikulären Adsorbens, das sich in einem zylindrischen Hohlkörper, dem annulären Ringspalt zwischen zwei Zylindern oder einem vergleichbaren Hohlraum befindet (Chromatographiesäule) von dem Medium bzw. dem Eluenten durchströmt werden.
(ii) Das sogenannte „Expanded Bed"-Verfahren der Adsorption, bei dem ein partikuläres Adsorbens in einer Chromatographiesäule durch das Medium bzw. durch den Eluenten fluidisiert und umströmt wird.
(iii) Die Membranchromatographie, bei der ein in einer Filtrationsvorrichtung befindliches flächiges Adsorbens mit durchlaufenden Poren vom Medium bzw. dem Eluenten durchströmt wird. Das flächige Adsorbens besteht meist aus einer oder mehreren Lagen einer Adsorptionsmembran.
(iv) Das Batch-Verfahren der Adsorption, bei dem die Beladung durch Bewegung des Adsorbens im Medium erfolgt, wobei das Adsorbens vom Medium umströmt wird. Dies kann beispielsweise mit einem partikulären Adsorbens in einem Rührkessel erfolgen, worauf das Adsorbens in einem zweiten Schritt vom Restmedium separiert und gegebenenfalls in einem dritten Schritt die Elution beispielsweise in einer Chromatographiesäule durchgeführt wird. Eine Variante besteht darin, daß ein flächiges Adsorbens zur Beladung und Elution in einem Apparat bewegt wird (Offenlegungsschrift DE 4028357 A1 )

Die mit den unter den vorstehenden Punkten (i) bis (iii) gekennzeichneten Verfahren erreichbaren Produktivitäten, also die auf die Mengeneinheit des Adsorbers pro Zeiteinheit gewinnbaren bzw. entfernbaren Mengen an Adsorbend, werden dadurch eingeschränkt, daß während der Beladung stets nur ein Teil des Adsorbens an dem Adsorptionsprozess beteiligt ist, nämlich derjenige, welcher im unvollständig beladenen Zustand mit Adsorbend-haltigem Medium in Kontakt steht. Die restliche Menge des Adsorbens ist entweder bereits beladen oder steht in Kontakt mit Zielmedium, d.h. Medium, bei dem bereits eine beabschichtigte Abreicherung eines Adsorbenden erzielt wurde. Diese nicht adsorptionwirksamen und dadurch unproduktiven Bereiche können bei größeren Säulenhöhen den überwiegenden Anteil des Adsorbens ausmachen. Hinzu kommt, daß sie durch ihren hydraulischen Widerstand nicht nur einen wesentlichen Beitrag zur erforderlichen Pumpenergie leisten, sondern auch die erreichbaren Strömungsgeschwindigkeiten von Medium und Eluens begrenzen, was infolge der dadurch bedingten erforderlichen langen Beladungs- und Elutionszeiten die Produktivität weiter vermindert.

Ein weiterer Nachteil des unter Punkt (i) genannten Verfahrens besteht darin, daß eine Chromatographiesäule nicht partikelgängig ist. Das „Expanded Bed"-Verfahren (ii) soll den Einsatz partikelhaltiger Medien ermöglichen. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, sowohl was die Herstellung der entsprechenden partikulären Adsorbentien (z. B. Streamline^TM – Gele, Fa. Pharmacia; Uppsala, Schweden) betrifft, die eine Vielzahl abgestufter Dichten aufweisen müssen, als auch in der Einhaltung der erforderlichen Betriebsbedingungen (Strömungsgeschwindigkeiten von Medium und Eluenten in Abhängigkeit von deren Dichte).

Für partikelhaltige Medien sind mehrere Varianten der Membranchromatographie (Punkt (iii)) bekannt, die darauf beruhen, daß Adsorptionsmembranen sowohl um- als auch durchströmt werden, wobei die beiden Ströme den Adsorber entweder auf getrennten Wegen verlassen oder intern wieder vermischt werden. Der Durchströmungsanteil ergibt sich dabei aus der Druckdifferenz, die sich zwischen den beiden Seiten der Membran ergibt bzw. aufrechterhalten wird. Krause et al. in BIO forum 12/92, S. 455 und in Biotechnology Techniques 5(3), S. 199–204 (1991) beschreiben den Einsatz von Adsorptionsmembranen in sogenannten Cross-Flow-Filtrationsvorrichtungen. Dabei wird ein partikelbelastetes Medium tangential über die Membranen) geleitet, während der Adsorbend in der Membran gebunden wird. Nach Entfernen der Partikel durch Spülen kann der Adsorbend eluiert werden. Ein gravierender Nachteil dieses Verfahrens ist die beim Kreuzstrombetrieb zwangsläufig auftretende Druckdifferenz zwischen Kanaleingang und Kanalausgang, der zu unterschiedlichen Durchströmungsgeschwindigkeiten der Membran und damit zu ungleichmäßiger Beladung führt.

Eine partikelgängige Modifizierung eines statisch (d.h. ohne Cross-Flow) betriebenen Membran-Adsorbers wird in DE 199 43 921 C1 beschrieben. Hier durchströmt ein Teil des Mediums die Membran(en), während der partikelbelastete Hauptstrom das Adsorbens durch vorhandene Öffnungen im By-Pass passiert.

Das Batch-Verfahren mit partikulären Adsorbentien (iv) ist wegen der Notwendigkeit unterschiedlicher Apparate für Beladung, Separation und Elution, in die das Adsorbens transportiert werden muss, sehr aufwendig und kommt daher nur in Einzelfällen zur Anwendung. Die vorstehend erwähnte Variante unter Verwendung eines flächigen Adsorbens hat gegenüber dem vorgenannten zwar die Vorteile der Partikelgängigkeit und daß nur ein Apparat erforderlich ist. Beiden gemeinsam ist jedoch der Nachteil, daß sie in mechanisch bewegten Vorrichtungen ausgeführt werden, in denen beispielsweise der im pharmazeutischen Bereich meist erforderliche sterile Betrieb, wenn überhaupt, nur mit großem Aufwand erreicht werden kann (Kapselung etc.).

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur adsorptiven Stofftrennung bereitzustellen, welches die genannten Nachteile der Adsorptionsverfahren nach dem Stand der Technik überwindet, die insbesondere in der geringen erreichbaren Produktivität, den auftretenden hohen hydraulischen Widerständen, der fehlenden Partikelgängigkeit der verwendeten Adsorber und/oder ihrer Kompliziertheit bestehen, sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine technische Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst.

Insbesondere wird ein Verfahren zur adsorptiven Stofftrennung in flüssigen Medien bereitgestellt, umfassend die Schritte:

(a) Bereitstellen eines Adsorbens mit einem in einem Gehäuse ortsgebunden angeordneten, flächigen Adsorbens mit mindestens einer adsorptiv wirksamen Oberfläche , welche mindestens einen Strömungskanal konstanten Querschnitts begrenzt, wobei das Gehäuse mindestens einen Zulauf und mindestens einen Ablauf für flüssiges Medium aufweist und der Zulauf mit einem Ende des Strömungskanals/der Strömungskanäle und der Ablauf mit dem anderen Ende des Strömungskanals/der Strömungskanäle in der Weise in Verbindung steht, daß der hydraulische Druck des Mediums über den gesamten Querschnitt des Strömungskanals/der Strömungskanäle auf der Zu- beziehungsweise Ablaufseite konstant ist, und
(b) Optional Äquilibrieren des Adsorbens mit einem flüssigen Medium, und
(c) Kontinuierliches Inkontaktbringen des flächigen Adsorbens in dem Gehäuse mit dem flüssigen Medium, welches mindestens einen Adsorbenden enthält, durch Anlegen eines Druckunterschieds zwischen Zulauf und Ablauf.

Im erfindungsgemäßen Verfahren ist das flächige Adsorbens somit derart ausgebildet, daß einerseits das Medium mit der gesamten adsorptiv wirksamen äußeren Oberfläche des Adsorbens in Kontakt tritt. Bei Adsorbermaterialien, welche in Querrichtung zur Hauptströmungsrichtung durchströmbar sind, z.B. poröse Membranen, ist es bevorzugt, daß an jeweils gegenüberliegenden Punkten der beiden Oberflächenseiten des durchströmbaren Adsorbermaterials im wesentlichen gleiche Druck- bzw. Strömungsgeschwindigkeitsverhältnisse herrschen, so daß auch im Falle von Adsorptionsmembranen keine Zwangsdurchströmung des Adsorbens erfolgt. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Gesamtheit des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten Adsorbens am Prozeß der Adsorption (und gegebenenfalls an einer nachfolgenden Elution) beteiligt ist.

Vorzugsweise umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren weiter den Schritt

(d) des Inkontaktbringens des Adsorbens, welches mindestens einen daran im Schritt (c) adsorbierten Adsorbenden aufweist, mit einem Eluens.

Der vorliegenden Erfindung liegen die folgenden Begriffsbestimmungen zugrunde: Unter „adsorptiver Stofftrennung" versteht man erfindungsgemäß die Abtrennung einer oder mehrerer Komponenten aus einer fluiden Phase durch selektive Adsorption dieser Komponente(n) an einer festen Phase, dem „Adsorbens". Das Feld der Erfindung betrifft die Stofftrennung in Flüssigkeiten, wobei die Flüssigkeit im Folgenden „Medium" und die Vorrichtung, in der die Adsorption ausgeführt wird, „Adsorben" genannt wird.

Die Komponenten können eine oder mehrere Zielsubstanzen und/oder einen oder mehrere Kontaminanten darstellen. „Zielsubstanzen" sind Wertstoffe, die aus dem Medium in angereicherter oder reiner Form gewonnen werden sollen, „Kontaminanten" solche, deren Abwesenheit aus technischen, regulatorischen oder sonstigen Gründen erforderlich oder wünschenswert ist. Für die Entfernung von Kontaminanten, die als „negative Adsorption" bezeichnet wird, kann (darf) die Adsorption irreversibel verlaufen, wenn das Adsorbens nur einmal verwendet werden soll. Bei der Adsorption der Zielsubstanzen) muß der Vorgang reversibel verlaufen. Es kann entweder eine bloße Anreicherung oder eine Auftrennung in mehrere Zielsubstanzen durchgeführt werden, wobei im letzteren Fall entweder die Adsorption, die Desorption oder beide selektiv erfolgen können.

Zielsubstanzen) und/oder Kontaminant(en) werden erfindungsgemäß als „Adsorbend" bezeichnet und im Singular gebraucht, womit aber nicht ausgeschlossen werden soll, daß es sich dabei auch um mehrere unterschiedliche Substanzen handeln kann. Medium, aus dem der Adsorbend infolge Adsorption ganz oder teilweise entfernt ist, wird als „abgereichertes Medium", Medium, an dem die beabsichtigte Abreicherung bereits erzielt ist, als „Zielmedium" bezeichnet. Unter dem Begriff „Elution" werden die Desorption und die damit einhergehenden Spülschritte etc. zusammengefasst, die zur Elution verwendete Flüssigkeit ist das „Eluens".

Die im Gleichgewicht zwischen Medium und Adsorbens adsorbierte Menge des Adsorbenden, bezogen auf die Menge des Adsorbens, wird als „Kapazität" bezeichnet, die bei Teilbeladung vorliegende in Relation zur Kapazität als „Beladungsgrad", die Zeit, in der die Adsorption durchgeführt wird, als „Beladungszeit". Die Adsorptionseigenschaften eines Adsorbens werden beschrieben durch die „Adsorptionsisotherme" (Abhängigkeit der Kapazität von der Konzentration des Adsorbenden im Medium) und die „Beladungskinetik" (Abhängigkeit des Beladungsgrades von der Beladungszeit bei einer bestimmten Ausgangskonzentration). Unter „Zykluszeit" wird die Summe aus Beladungszeit und „Elutionszeit" (für die Elution erforderliche Zeit) verstanden, unter „Produktivität" die auf die Zykluszeit und die Menge des Adsorbens bezogene adsorbierte Menge des Adsorbenden.

Adsorption und Desorption finden im allgemeinen als Heterogenreaktionen an der äußeren (geometrischen) und inneren (Poren-) Oberfläche des Adsorbens statt. Hohe Werte der „äußeren spezifischen Oberfläche", des geometrischen Oberflächen-Volumenverhältnisses, werden dadurch erreicht, daß die geometrische Ausdehnung des Adsorbens entweder in einer, in zwei oder in den drei Richtungen des Raumes begrenzt ist. Dementsprechend spricht man von „flächigen„, „faserigen„ oder „partikulären„ Adsorbentien.

Im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbare flächige Adsorbentien können eben ausgebildet sein oder als in sich geschlossene Flächen, wie z.B. Schläuche, Rohre und Kapillaren. Im Falle von Schläuchen, Rohren und Kapillaren sind unter "äußerer Oberfläche" die innere und/oder äußere Mantelfläche(n) zu verstehen. Sie können auch Flächengebilde aus faserigen Adsorbentien, wie z.B. Vliese und Gewebe aus faserigen Adsorbentien darstellen z.B. Produkte der Fa. CUNO Inc. mit dem Namen Zetaprep^® S oder Zetaprep^® DEAE oder Gebilde aus inerten (adsorptiv inaktiven) flächigen Trägern sein, in oder auf denen partikuläre Adsorbentien fixiert sind, wie z.B. Produkte der Fa. FMC mit dem Namen Actidisk^® SP oder Actidisk^® CM.

Die „innere spezifische Oberfläche", das Verhältnis der Oberfläche der Poren des Adsorbens, die mit seiner äußeren Oberfläche in Verbindung stehen und entweder als „durchlaufende Poren" oder als „Sackporen" vorliegen können, zu seinem Volumen kann bei einem Adsorbens hoher Kapazität den überwiegenden Anteil seiner gesamten spezifischen Oberfläche ausmachen. Flächige Adsorbentien mit durchlaufenden Poren im Porengrößenbereich von etwa 0,1–10 μm werden erfindungsgemäß als „Adsorptionsmembranen" bezeichnet, solche ohne durchlaufende Poren als „Adsorptionsfolien".

Der Einfluß der inneren spezifischen Oberfläche auf die Beladungs- und Elutionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Strömungsführung des Mediums, wobei zwischen der „Umströmung" und der „Durchströmung" (Strömung durch durchlaufende Poren) zu unterscheiden ist.

Das Verhältnis von Durchströmung zu Umströmung kann bei verschiedenen Adsorbentien und Adsorbern in weiten Grenzen schwanken, und zwar zwischen einem Durchströmungsanteil von 0 bei nichtporösen Adsorbentien oder solchen mit ausschließlich Sackporen, und 100% bei flächigen Adsorbentien mit durchlaufenden Poren, die in Adsorbern mit „Zwangsdurchströmung" (Strömungsführung ohne Umströmungsmöglichkeit im By-Pass) betrieben werden. Eine „Teildurchströmung" liegt dann vor, wenn das Adsorbens durchlaufende Poren enthält und, bedingt durch die konstruktiven Merkmale des Adsorbers, ein hydrostatischer Druckunterschied zwischen der Eintritts- und Austrittsöffnung der Pore auftritt und auch eine Umströmung des Adsorbens möglich ist. Diese Voraussetzungen können sowohl bei Adsorbern mit partikulären, faserigen als auch flächigen Adsorbentien gegeben sein.

Es gibt Adsorbentien, deren innere Oberfläche infolge von milieuabhängigen Quellungs- und Entquellungsvorgängen geometrisch nicht streng definiert ist. Derartige Adsorbentien bestehen aus zwei festen Phasen – einer inerten Trägerstruktur und einer adsorptiv wirksamen, quellfähigen Phase – deren Adsorptionswirksamkeit nicht auf ihre Phasengrenzfläche mit dem Medium beschränkt ist, sondern sich auf das gesamte Volumen der quellfähigen Phase erstreckt. Diese Erscheinung, im Folgenden als „Quellungsporosität" bezeichnet, kann beispielsweise dann auftreten, wenn das Adsorbens aus einem inerten Träger und einem aufgepfropften adsorptiv wirksamen, quellfähigen Polymer besteht. Unter der spezifischen Oberfläche eines derartigen Adsorbens wird das Oberflächen-Volumenverhältnis im entquollenen Zustand der quellfähigen Phase verstanden.

Flächige Adsorbentien, die sowohl eine adsorptiv wirksame Seite aufweisen, welche auch porös sein kann, als auch eine inerte, nicht poröse, werden erfindungsgemäß „asymmetrische„ flächige Adsorbentien genannt. Es kann sich dabei beispielsweise um ein schlauchförmiges Adsorbens mit einer dichten Außenhaut, ein auf einer Folie kaschiertes flächiges Adsorbens, ein auf einer Folie fixiertes partikuläres Adsorbens oder eine auf eine inerte Folie einseitig gepfroptes, adsorptiv wirksames Polymer handeln.

Im allgemeinen können hohe Bindungs- und Elutionsgeschwindigkeiten entweder mit nichtporösen Adsorbentien, die aber niedrige Kapazitäten aufweisen, oder mit porösen Adsorbienten mit hohem Durchströmungsanteil erreicht werden. Das erklärt sich daraus, daß der Stofftransport des Adsorbenden sowohl bei der Umströmung nichtporöser Adsorbentien als auch der Durchströmung poröser Adsorbentien konvektiv (schnell) erfolgt, bei der Umströmung poröser Adsorbentien dagegen zu einem wesentlichen Anteil diffusiv, also langsam. Diese Erscheinung wird als „Diffusionslimitierung des Stofftransports" bezeichnet.

Unter „Partikelgängigkeit" eines Adsorbens wird seine Unempfindlichkeit gegen Verstopfung durch partikelhaltige Medien verstanden. Eine Verstopfung kann sowohl bei der Umströmung in engen Kanälen zwischen Adsorbens-Partikeln als auch bei der Durchströmung von Adsorbentien auftreten. Die Partikelgängigkeit ist darüber hinaus mit einer Unempfindlichkeit gegen Gase im Medium verbunden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, enthält daher das mindestens einen Adsorbenden enthaltende flüssige Medium zusätzlich Partikel. Diese Partikel können entweder Verunreinigungen des Mediums; wie z.B. Zelldebris und Zellbestandteile, darstellen oder wertbestimmende Bestandteile, die daher nicht verloren gehen bzw. entfernt werden dürfen. Letzterer Fall ist beispielsweise bei der Dekontamination (Entfernung störender Begleitstoffe wie Pyrogenen, DNA etc.) von Vakzinen, Virussuspensionen, Bakteriensuspensionen oder Suspensionen von Liposomen gegeben. Weitere partikuläre Zielsubstanzen können Eukaryontenzellen, ein- oder mehrzellige niedrige Organismen wie Algen, Protozoen, Hefen oder Pilzsporen, ferner Zellorganelle wie Kerne, Mitochondrien, Lysosomen, Proteosomen usw. sein. Die Größe der Partikel, die vorhanden sein können, kann bis zur Größenordnung der Spalthöhen des Adsorbers reichen und ist dann nach oben darüber hinaus durch die Fließfähigkeit des Mediums begrenzt.

Die Nachteile der Verfahren nach dem Stand der Technik haben bei den verschiedenen, in der Praxis vorkommenden Prozessen eine unterschiedliche Relevanz. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verfahren werden daher nachstehend anhand beispielhafter Modellprozesse näher erläutert:
Modellprozess A: Abtrennung eines in niedriger Konzentration vorliegenden Wertstoffs aus einem geringwertigen Medium, insbesondere die Gewinnung von Nahrungsmittelzuschlagstoffen.
Beispiel: Gewinnung von Lactoferrin aus Molke oder Lactoperoxidase aus Vollmilch durch Ionenaustausch (s. Beispiel 3). Technische Probleme: Es müssen sehr große Volumina Medium verarbeitet werden, das zudem partikelhaltig und schwer filtrierbar ist, wobei nach dem Stand der Technik zur Abtrennung der restlichen Casein-Mizellen und Lipide in vorgeklärter Molke eine weitere Vorfiltration, z.B. durch mikroporöse Membranen, erforderlich ist, die so weitgehend sein muß, daß stets die Gefahr besteht, daß nicht nur die Partikel, sondern auch die Zielsubstanz zurückgehalten werden. Wesentliche Aspekte für die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses sind die Partikelgängigkeit des Adsorbens und der Energieaufwand (Pumpenergie). Die Vollständigkeit der Abtrennung, also der Restgehalt des Zielmediums an dem Adsorbenden, tritt demgegenüber zurück.
Modellprozess B: Vielfach werden biologisch wirksame Substanzen in sog. Zellkulturen hergestellt, wobei die Zielsubstanz an das Medium abgegeben wird, aus dem sie gewonnen werden soll. Dabei müssen zuvor die Zellen durch Zentrifugation und/oder Filtration abgetrennt und das Medium zurückgeführt werden.
Beispiel: Wenn die Zielsubstanz aus dem zellhaltigen Medium abgereichert wird, kann dieses direkt zurückgeführt werden. In diesem Fall ist die Partikelgängigkeit der wirtschaftliche Hauptaspekt.
Modellprozess C: Abtrennung eines Adsorbenden mit einem teuren Liganden. Insbesondere in der Biotechnologie gibt es Anwendungsfälle, bei denen die Herstellungskosten des Adsorbens extrem hoch sind, beispielsweise dann, wenn bestimmte Affinitätsliganden erforderlich sind, z.B. Antikörper, Protein A etc. Wenn es sich bei dem Adsorbenden um einen Kontaminanten handelt, ist vielfach wegen des mit einer Regeneration des Adsorbens verbundenen Validierungsaufwandes eine Mehrfachverwendung wirtschaftlich nicht sinnvoll. In diesen Fällen ist die Maximierung der Produktivität des Adsorbens das wirtschaftliche Hauptziel des Prozesses.
Beispiel: Erzeugung eines Humanwirkstoffs mit genetisch manipulierten Säugetierzellen. Der in geringen Mengen vorhandene tierische Wirkstoff soll durch Affinitätsadsorption an einen Antikörper entfernt werden, dessen Produktion ausschließlich für diese Anwendung erfolgt.
Modellprozess D: Abtrennung eines Kontaminanten, der zu einem Abbau der Zielsubstanz führt.
Beispiel: Abtrennung von Proteasen aus proteinhaltigen Medien. Das Hauptziel des Prozesses ist die möglichst schnelle Abtrennung der Hauptmenge des Kontaminanten zur Maximierung der Ausbeute an Zielsubstanz.

Die Bedeutungen der günstigen Eigenschaften des endungsgemäßen Verfahrens für die vorstehenden Modellprozesse können wie folgt gewichtet werden:

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit allen flächigen Adsorbentien, unabhängig von ihrem Wirkungsmechanismus und Aufbau, durchgeführt werden. Der Wirkungsmechanismus und der Aufbau von flächigen Adsorbentien ist dem Fachmann aus vielen Gebieten der Biotechnologie, Pharmazie, Lebensmitteltechnik und verwandten Gebieten bekannt.

Beispielhaft können als mit den bzw. dem Adsorbenden wechselwirkende Liganden Ionenaustauscher, Chelatbildner und Schwermetallchelate, thiophile, hydrophobe Liganden verschiedener Kettenlängen und Konfigurationen, Reversed Phase-Systeme, Farbstoffliganden, Affinitätsliganden, Aminosäuren, Coenzyme, Cofaktoren und deren Analoga, Substrate und deren Analoga, endokrine und exokrine Substanzen, wie Hormone und hormonähnlich wirkende Wirkstoffe, Effektoren und deren Analoga, Enzym-Substrate, Enzym-Inhibitoren und deren Analoga, Fettsäuren, Fettsäurederivate, konjugierte Fettsäuren und deren Analoga, Nukleinsäuren, wie DNA, RNA und deren Analoga und Derivate (einzel-, doppel- und/oder mehrsträngig), sowie Peptidnukleinsäuren und deren Derivate, Monomere und deren Analoga und Derivate, Oligo- bis Polymere und deren Analoga und Derivate, hochmolekulare Kohlenhydrate, die linear oder verzweigt, nicht-substituiert oder substituiert sein können, polymere Glycokonjugate, wie Heparin, Amylose, Zellulose, Chitin, Chitosan, als auch deren Mono- und Oligomere und Derivate und Analoga davon, Lignin und dessen Derivate und Analoga, andere biologisch-chemische Liganden, wie Oligo- und Polypeptide, z.B. Proteine und ihre Oligomere, Multimere, Untereinheiten sowie Teile davon, insbesondere Lectine, Antikörper, Fusionsproteine, Haptene, Enzyme und Untereinheiten sowie Teile davon, Strukturproteine, Rezeptoren und Effektoren sowie Teile davon, des weiteren Xenobiotika, Pharmazeutika und pharmazeutische Wirkstoffe, Alkaloide, Antibiotika, Biomimetika usw. genannt werden.

Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht somit darin, daß die Gesamtheit des eingesetzten Adsorbens während der gesamten Prozesszeit an dem Prozess beteiligt ist, wodurch eine hohe Flexibilität in der Anpassung der Verfahrensparameter an die Erfordernisse des jeweiligen Prozesses erreicht wird.

Insbesondere ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, durch gezielte Teilbeladung hohe Produktivitäten zu erzielen, weil die Beladungsgeschwindigkeit in der Anfangsphase der Beladung am höchsten ist. Die dadurch kurzen erreichbaren Zykluszeiten, die bei Prozessrechner – gesteuerten Anlagen unschwer automatisierbar sind, ermöglichen Produktivitäten bis in die Größenordnung von kg/m² d (s. Beispiel 5). Bei den Verfahren nach dem Stand der Technik ist schnelle Teilbeladung sonst nur bei den aus den genannten Gründen meist unpraktikablen und kaum automatisierbaren Batch-Verfahren (vgl. Verfahren gemäß Punkt (iv), supra) möglich.

Die bei Adsorbern nach dem Stand der Technik gebräuchlichste Strömungsführung des Mediums durch den Adsorber ist das „Durchlaufverfahren„, bei dem das Medium so lange durch den Adsorber geführt wird, bis dessen Kapazität erschöpft ist. Erfindungsgemäße Adsorber können darüber hinaus mit Vorteil nach dem „Rezirkulationsverfahren„ betrieben werden, bei dem ein vorbestimmtes Volumen des Mediums so lange durch den Adsorber im Kreislauf geführt wird, bis die erforderliche Abreicherung des Adsorbenden erfolgt ist. Über das vorbestimmte „Volumsflächenverhältnis„, das Verhältnis des rezirkulierenden Volumens zur Fläche des Adsorbens, kann dabei entscheidender Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens genommen werden, in dem dieses Verhältnis sowie die Rezirkulationsdauer in Anpassung an die wirtschaftlichen Erfordernisse des jeweiligen Prozesses hinsichtlich Produktivität und Ausbeute optimiert werden. Dieser Optimierungsprozess wird in Beispiel 5 erläutert. Ein weiterer Vorzug des Rezirkulationsverfahrens ist die Tatsache, dass die in weiten Grenzen frei wählbare Rezirkulationsrate die Gewährleistung hoher, der Kinetik des Stoffübergangs förderlicher Strömungsgeschwindigkeiten erlaubt. Rezirkulations – bzw. Durchlaufverfahren können auch bei der Elution angewandt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Durchlaufverfahrens ist das so genannte Tandemprinzip, bei dem mindestens 2 Adsorber nacheinander vom Medium durchströmt werden. In WO 98/41302 ist eine Tandemanlage mit Verwendung von Membranadsorbern nach dem Stand der Technik beschrieben, die demgemäß auch deren Nachteile aufweist. Die Einzelschritte des Tandemprinzips sind in den 13 – 15 erläutert. Dabei bedeuten: 100 A und 100 B: Adsorber, 101: Ventile mit einem Einlass und 3 Auslässen bzw. mit 3 Einlässen und einem Auslass, 102 A – 107 A bzw. 102 B – 107 B: Einzelventile zur Steuerung der Strömungsführung in den Rohrleitungen von und zu dem Adsorber A bzw. Adsorber B, 108: Leitung zur Zufuhr des Eluens, 109: Leitung zur Zufuhr des Mediums, 110: Leitung zur Abfuhr des Eluats, 111: Leitung zur Abfuhr des Zielmediums. Fluiddurchströmte Teile der Verrohrung sind durch Fettdruck von den nicht durchströmten unterschieden. Das Symbol ⧖ bedeutet ein geöffnetes Ventil und das Symbol ⧗ bedeutet in geschlossenes Ventil.

Das Tandemprinzip ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beladung der Adsorber in Serienschaltung erfolgt und die Schaltung bei aufeinander folgenden Beladungen umgekehrt wird. Nach den Beladungen wird jeweils nur der an erster Stelle geschaltete Adsorber eluiert. Nach der Elution steht somit der frisch eluierte Adsorber mit bereits abgereichertem Medium in Kontakt (Vorbeladung), der bereits vorbeladene dagegen mit dem Ausgangsmedium (Endbeladung). Infolge der Gleichgewichtslage der Adsorption (Adsorptionsisotherme) wird dadurch sowohl eine hohe Kapazität bei der Endbeladung als auch eine niedrige Endkonzentration (hohe Ausbeute) bei der Vorbeladung erreicht. Das Tandem – Verfahren kann auch mit mehr als 2 Adsorbern durchgeführt werden, so dass während der Elution des zuletzt endbeladenen Adsorbers die Beladung der Übrigen fortgesetzt werden kann. Das Tandemverfahren eignet sich insbesondere für die großtechnische Ausführung von Modellprozess A, wobei es naheliegt, die Steuerung der für die Strömungsführung erforderlichen Einzelventile 102A – 107 A und 102 B – 107 B mit Hilfe eines Prozessrechners zu automatisieren. Das Tandemprinzip kann auch unter Anwendung des Rezirkulationsverfahrens realisiert werden, indem zwischen Fluideinlass 1 und Fluidauslass 2 der Adsorber 100A und 100B zusätzlich je eine Rezirkulationspumpe vorgesehen wird.

Je näher die Zielkonzentration dem Wert 0 liegt (Modellprozesse C und D), umso größere Vorteile bietet bei partikelfreien Medien eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die darin besteht, dass der nach der Umströmung des Adsorbens im Durchlaufverfahren im Medium verbliebene restliche Adsorbend an eine Endadsorptionsmembran unter Zwangsdurchströmung gebunden wird. Somit wird vorzugsweise das flüssige Medium nach dem Inkontaktbringen mit dem Adsorbens im vorstehend definierten Schritt (c) durch eine oder mehrere entsprechende Endadsorptionsmembranen filtriert. Selbstverständlich können hierbei auch mehrere Membranen hintereinander eingesetzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Hauptvorteile der Um- und Durchströmung eines als Adsorptionsmembran ausgebildeten flächigen Adsorbens zu vereinigen: die gleichzeitige Verfügbarkeit der gesamten äußeren Oberfläche bei der Umströmung, wodurch eine hohe Produktivität erreicht wird, und die vollständige Bindung des Adsorbenden an eine oder wenige Lagen einer Adsorptionsmembran bei der schnellen Durchströmung mit einem Medium, das nach Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits eine relativ geringe Konzentration an dem bzw. den Adsorbenden aufweist.

Die beschriebene Kombination mit der Membranchromatographie kann erfindungsgemäß entweder durch Hintereinanderschalten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines Membranadsorbers nach dem Stand der Technik erfolgen, oder in einem Adsorber, in dem beide Adsorptionsprinzipien in der Weise realisiert sind, dass im Gehäuse eines erfindungsgemäßen Adsorbers vor dem Ablauf eine oder mehrere Endadsorptionsmembranen angeordnet sind.

Mehrphasige Medien können unerwünschte feste oder gasförmige Phasen, wie Partikel oder Gasblasen, enthalten. Diese können nach dem endungsgemäßen Verfahren dem Medium aber auch gezielt zugesetzt werden. Bei der vorzugsweise zur Gewinnung des Adsorbenden durchgeführten Elution können gezielt Gasblasen oder feste Verdrängungskörper in das Eluens eingebracht werden, um dessen erforderliches Volumen herabzusetzen und infolgedessen die Konzentration des desorbierten Adsorbenden im Eluat zu erhöhen. Es ist auch möglich, kleinere Volumina an Medium oder Eluens, als dem Totvolumen des Adsorbers entspricht, einzusetzen, in dem zunächst dieses Volumen an Fluid in einem ersten Schritt in den Adsorber eingebracht und in einem zweiten Schritt ein inertes Gas von unten in der Weise durch die flüssige Phase geleitet wird, dass diese mit der gesamten Fläche des Adsorbens in Kontakt tritt.

Ein weiterer Aspekt der Unempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegen die Anwesenheit einer Gasphase ist, dass bei einem Wechsel des Fluids, mit dem das Adsorbens in Kontakt gebracht werden soll, das Vorhergehende zuvor durch Einbringen eines inerten Gases verdrängt werden kann, was nicht nur Einsparungen an dem betreffenden Fluid sondern auch an Prozesszeit ermöglicht, insbesondere dann, wenn mehrere Spülschritte erforderlich sind. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch im mit Gas gefüllten, trockenen Zustand gelagert werden, sofern die Beständigkeitseigenschaften des Adsorbens das zu lassen.

Das Adsorbens ist erfindungsgemäß vorzugsweise als Adsorptionsmembran oder als Adsorptionsfolie ausgebildet. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Adsorbens mehrlagig im Gehäuse angeordnet, beispielsweise kann das Adsorbens spiralförmig um einen fluiddichten Kern gewickelt und so angeordnet in das Gehäuse eingesetzt werden. Insbesondere ist es bevorzugt, zwischen den Adsorbenslagen tangential durchströmbare, einen Abstand zwischen den Adsorbenslagen erzeugende Einrichtungen (Abstandshalter) vorzusehen. Eine andere Möglichkeit besteht in einer kapillarförmigen Ausbildung des Adsorbens.

Die Bindungskinetik kann erfindungsgemäß durch Maßnahmen zur Förderung des Stoffübergangs an der Phasengrenze zwischen Adsorbens und Medium positiv beeinflusst werden. Dazu zählen hohe Strömungsgeschwindigkeiten und die Erzeugung von Mikroturbulenzen. Letztere können beispielsweise durch Verwendung von Abstandshaltern erreicht werden, die der Ausbildung laminarer Strömungsverhältnisse entgegenwirken, wie z.B. Gewebe oder gewellte Folien. Eine weitere derartige Maßnahme ist eine pulsierende Förderung des Mediums, die auch einer Absetzung von Partikeln am Adsorbens oder Abstandshalter entgegenwirkt.

Die Abstandshalter sind vorzugsweise textile oder nichttextile, lateral durchströmbare Flächengebilde aus inerten Materialien, die keine das Festsetzen von Partikeln und/oder Gasblasen fördernde tote Ecken aufweisen. Nichttextile, durchströmbare Flächengebilde können Vliese oder Prägefolien sein. Unter Prägefolien werden Flächengebilde verstanden, die durch Prägungs-, Extrusions-, Stauchungs- oder sonstige nach dem Stand der Technik bekannten Prozesse erzeugt werden können. Sie können, müssen aber nicht auch transversal durchströmbar sein. Bei der Auswahl der Abstandshalter sind folgende Gesichtspunkte zu berücksichtigen: hohe Durchströmbarkeit zur Minimierung des Druckabfalls, geringe Dicke zur Gewährleistung einer hohen Packungsdichte, geringe freie Querschnittsfläche zur Minimierung des Totvolumens, geringe Kontaktfläche mit dem flächigen Adsorbens zur Minimierung der Behinderung des Stoffaustausches, Förderung des Stoffaustausches, beispielsweise durch Erzeugung von Mikroturbulenzen. Die beiden letztgenannten Gesichtspunkte beziehen sich auf den Einfluß des Abstandshalters auf die Kinetik des Stoffaustausches. Diese kann, wie in Beispiel 5 gezeigt, durch einen mit großer Genauigkeit bestimmbaren kinetischen Parameter beschrieben werden, was auch für den Einfluß der Rezirkulationsgeschwindigkeit auf die Bindungskinetik gilt.

Unter den nichttextilen Abstandshaltern sind die Prägefolien besonders bevorzugt. Geeignete Prägefolien weisen auf einer oder beiden Seiten der Fläche Erhebungen auf, die den Abstand zum flächigen Adsorbens bestimmen. Linienförmige Erhebungen werden im Folgenden Stege genannt. Die Erhebungen oder Stege können auf einer (s. 4) oder auf beiden Seiten der Prägefolie angeordnet sein (s. 5). Nur einseitig mit Stegen versehen Prägefolien werden, wenn zu ihren beiden Seiten Membranen angeordnet sind, vorzugsweise zweilagig mit den stegfreien Seiten einander zugewandt eingesetzt, so dass die Stege, zusammen mit dem flächigen Adsorbens, Strömungskanäle erzeugen.

Bei Verwendung schlauchförmiger flächiger Adsorbentien besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, den Abstandshalter in das in diesem Fall erforderliche mechanische Stützelement zu integrieren. In 12 ist eine Anordnung im Querschnitt dargestellt, in der ein schlauchförmiges Adsorbens ein profiliertes Stützelement in der Weise umschließt, dass dessen Profil mit dem Adsorbens Strömungskanäle bildet. Sofern das Profil des Stützelements Stege aufweist, können diese schraubenförmig mit dem Steigungswinkel

ausgebildet sein, wodurch bei gegebener Zufuhr- bzw. Rezirkulationsrate des Fluids dessen Strömungsgeschwindigkeit um den Faktor

gegenüber dem Winkel α = 0 erhöht und dadurch der Stoffaustausch zwischen Fluid und Adsorbens begünstigt werden kann.

Wie bereits vorstehend erläutert, ist das Adsorbens vorzugsweise mehrlagig im Gehäuse angeordnet. Beispielsweise kann es spiralförmig um einen fluiddichten Kern gewickelt im Gehäuse angeordnet sein. Ebenfalls bevorzugt ist eine Anordnung, bei welcher zwischen den Adsorbenslagen tangential durchströmbare, einen Abstand zwischen den Adsorbenslagen erzeugende Einrichtungen vorgesehen sind. Es ist jedoch auch möglich, das Adsorbens nicht in Schichten, sondern kapillarförmig auszubilden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann, wie bereits oben dargelegt, weiter eine Endadsorptionsmembran umfassen, die derart angeordnet ist, daß das Medium durch die Endadsorptionsmembran nach dem Kontakt mit dem Adsorbens filtriert wird, woraus sich die obigen weiteren Vorteile ergeben. Die Endadsorptionsmembran kann einerseits im gleichen Gehäuse wie das Adsorbens angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, die Endadsorptionsmembran in einem separaten Gehäuse hinter dem Ablauf des das Adsorbens aufnehmenden Gehäuses anzuordnen.

Durch gleichzeitiges paralleles Anordnen der Membran mit einer Einrichtung, welche einen festen definierten Abstand zwischen den Membranlagen erzeugt, wird ein partikelgängiger Kanal geschaffen. Durch Einsetzen dieses Pakets aus Sandwich-artig angeordneten Membranen und passenden Abstandshaltern. in einen passenden Hohlkörper wird ein Adsorberbett geschaffen, welches einerseits partikelgängig, andererseits aber gleichzeitig zur Adsorption diffusiv in die Membran transportierter Substanzen befähigt ist.

Das partikelhaltige Fluid wird durch Erzeugen eines Druckunterschiedes zwischen Eingang und Ausgang des Adsorberbettes in den erwähnten Kanälen bzw. dem durchgängigen Ringkanal tangential an der Membran entlanggeführt. Die Zielsubstanzen diffundieren in die Adsorbermembran und werden an den entsprechenden Liganden vorzugsweise reversibel adsorptiv gebunden. Nach Entfernen der Partikel aus den Kanälen durch Spülen mit geeigneten Fluiden kann die Zielsubstanz vom Adsorber durch Veränderung der Bedingungen abgelöst und somit gewonnen werden.

Wie vorstehend beschrieben, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Bahn des flächigen Adsorbens mit einer Bahn des Abstandshalters um einen gemeinsamen Kern gewickelt und beispielsweise in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet. Das zylindrische Gehäuse weist einen Zulauf für das flüssige Medium (Fluideinlass) an seinem einen und einen Ablauf für das flüssige Medium (Fluidauslass) an seinem anderen Ende auf. Bei der Beladung wird das Medium tangential an dem Adsorbens vorbeigeführt, bei der Regenerierung des Adsorbens bzw. der Elution der Zielsubstanz das Regeneriermedium bzw. das Eluens.

Die Figuren zeigen:

1 ist eine graphische Darstellung, welche die Abhängigkeit der Konzentration des Adsorbenden von der Beladungszeit (nach Beispiel 1) zeigt. Ausgezogene Kurve: Annäherung der Messwerte durch die in Beispiel 5 genannte Anpassungsfunktion C = f(t). Die durch die Koordinaten t und C gegebenen Punkte entsprechen den Messwerten in Tabelle 1.

2 ist eine graphische Darstellung, welche die Abhängigkeit der Produktivität P bei einer Elutionszeit von 10 min von der Beladungszeit t, zeigt. Ausgezogene Kurve: berechnet nach den Parametern der Anpassungsfunktion C = f(t). Die durch die Koordinaten t und P gegebenen Punkte entsprechen den aus den Messwerten in Tabelle 1 berechneten Produktivitäten.

3 Lichtmikroskopische Flächenansicht einer Profilfolie mit Durchbrüchen der Typenbezeichnung „Delnet^® Nonwoven Fabrics RO412-10-10PR„ der Fa. Applied Extrusion Technologies, Inc. England, mit einseitig angeordneten Stegen, in einer Ansicht von der stegfreien Seite. Vergrößerung 13× .

4 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der gleichen Profilfolie wie in 3, Querschnitt im Bereich eines Steges. Vergrößerung 150×.

5. Querschnitt durch eine Profilfolie ohne Durchbrüche mit beidseitig angeordneten Stegen.

6 ist eine schematische Darstellung, welche einen -Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt. In dieser Ausführungsform ist das als Membran ausgebildete Adsorbens und die Abstand-erzeugende Einrichtung auf einen fluiddichten, stabförmigen Kern aufgewickelt. Es bedeuten: 1 Einlass des Gehäuses, 2 Auslass des Gehäuses, 3 Gehäuse, 4 Abstand-erzeugende Einrichtung, 5 adsorptive Membran, 6 fluiddichten Kern zum Aufwickeln der Kombination aus Membran und Abstand-erzeugender Einrichtung, 7 Vorrichtung zum Verteilen des Fluids am jeweiligen Ein- und Auslass des Gehäuses.

7 zeigt einen senkrecht zur Längsachse erfolgten Querschnitt der in 6 dargestellten Vorrichtung in Höhe der Linie A-A. Es bedeuten: 3 Gehäuse, – 4 Abstandshalter, 5 adsorptive Membran, 6 fluiddichter Kern.

8 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hier sind die Membranen und die Abstand erzeugenden Einrichtungen parallel zur größten Längsachse und zu einer Querachse eines rechtwinkligen Gehäuses angeordnet. Es bedeuten: 1 Einlass des Gehäuses, 2 Auslass des Gehäuses, 3 Gehäuse, 4 Abstandshalter, 5 adsorptive Membran, 7 Vorrichtung zum Verteilen des Fluids am Ein- und Auslass des Gehäuses.

9 zeigt einen Querschnitt einer in 8 dargestellten Vorrichtung in Höhe der Linie B---B. Es bedeuten: 3 Gehäuse, 4 Abstandshalter, 5 adsorptive Membran.

10 zeigt eine bevorzugte Anordnung der adsorptiven Membran 5, die in einer gefalteten (plissierten) Form um den fluiddichten Kern 6 angeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Abstandshalter und das Gehäuse weggelassen. Es wird nur eine Membranlage gezeigt.

11 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Adsorbens in der Anordnung gemäß 10. Hier sind die Membranen und die Abstandshalter parallel zur Längsachse eines zylindrischen Gehäuses in plissierter Form angeordnet. Es bedeuten: 3 Gehäuse, 4 Abstandshalter, 5 adsorptive Membran, 6 fluiddichter Kern.

12 Zeigt den Querschnitt durch einen Adsorber, bestehend aus einem schlauchförmigen Adsorbens 10 und einem von diesem umschlossenen, als Abstandshalter ausgebildeten Stützelement 11 mit Stegen 12.

13 Tandemanlage, Schritt 1: Vorbeladung des Adsorbers 100B, der im vorhergegangenen Schritt eluiert worden ist. Gleichzeitig erfolgt Endbeladung des Adsorbers 100A.

14 Tandemanlage, Schritt 2 : Elution des endbeladenen Adsorbers 100A.

15 Tandemanlage, Schritt 3: Vorbeladung des Adsorbers 100A und Endbeladung des in Schritt 1 vorbeladenen Adsorbers 100B und Vorbeladung des Adsorbers 100A .

Die vorliegende Erfindung wird durch die nachstehenden, nichteinschränkenden Beispiele weiter erläutert.

BEISPIELE
Beispiel 1
Bindung von Rinderserumalbumin (BSA) nach dem Rezirkulationsverfahren.
Eine handelsübliche Adsorptionsmembran mit den Eigenschaften eines schwach basischen Ionenaustauschers (Handelsname SARTOBIND^® D, Sartorius AG) von 30 cm Breite und 160 cm Länge, entsprechend 0,48 m², wurde zusammen mit 2 Profilfolien (Bezeichnung: Delnet^® Nonwoven Fabrics RO412-10-10PR der Fa. Applied Extrusion Technologies, Inc. England) mit einer Dicke von 0,254 mm, auf einen inerten Stab aus Kunststoff aufgewickelt. Die Profilfolien waren mit der stegfreien Seite gegeneinander gelegt, so daß die Stege der Folien zu beiden Seiten mit der anliegenden Membrane in Achsrichtung Kanäle bildeten. Der Wickel wurde in ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 4,3 cm stramm an der Innenwand des Rohres anliegend eingesetzt. Die Enden des Rohrs wurden mit zwei durchbohrten Gummistopfen derart verschlossen, dass zwischen den Stopfen und der Wicklung ein Raum zum Verteilen bzw. Sammeln des zu- und abströmenden Fluids entstand. Das Totvolumen des erhaltenen Adsorbers einschließlich der Schläuche betrug 420 ml.
Der Adsorber wurde mit 0,02 M Tris-HCI pH 8,3 (im Folgenden Tris genannt) gespült. Eine Lösung von 2 g BSA (Fa. Kräber, Hamburg) in 1 L Tris wurde aus einer Vorlage mittels einer peristaltischen Pumpe von unten durch den Tris – gefüllten Adsorber mit 300 ml/min rezirkuliert. Das Volumen des rezirkulierten Mediums betrug einschließlich des im Totvolumen des Adsorbers befindlichen Spülpuffers 1,42 l. In Tabelle 1 sind die BSA Konzentration c, die in der Vorlage nach geeigneter Verdünnung aus der Extinktion bei 280 nm bestimmt wurde und die Beladungsdauer t wiedergegeben. Die aus der Konzentrationsabnahme bis zum Ende der Beladung errechnete adsorbierte BSA – Menge betrug 1,78 g.
Tabelle 1 Beladungsdauer t und BSA – Konzentration c
Beispiel 2
Elution von BSA nach dem Durchlaufverfahren
Nach der Beladung in Beispiel 1 wurde im Durchlaufverfahren der Adsorber mit 1 1 Tris gespült und mit 1 L 1 M NaCl in 0,01 M Kaliumphosphat-Puffer pH 7,0 bei 160 ml/min eluiert. In 100 ml – Fraktionen des Eluats wurde die BSA – Konzentration auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 bestimmt.
Tabelle 2 Verlauf der Elution von BSA im Durchlaufverfahren mit 160 ml/min 1 M NaCl
Die eluierte BSA – Menge betrug 1,75 g, entsprechend 87,5 % der eingesetzten (2 g) bzw. 98,3 % der adsorbierten Menge (1,78 g). Die Fraktionen 3 bis 7 enthielten 88,6 % des eluierten Proteins. Die Konzentration von Fraktion 3 entspricht einer 3,3 fachen Aufkonzentrierung gegenüber der Ausgangslösung.
Beispiel 3
Gewinnung von Lactoperoxidase (LP) aus Vollmilch nach dem Rezirkulationsverfahren
Die Bestimmung der LP erfolgte in Anlehnung an die Firmenschrift „biochemical information" der Fa. Boehringer Mannheim GmbH (Biochemica 1987 p.49) nach folgender Vorschrift: Definition einer Einheit (U) LP: 1 U oxidiert 1 mmol Azinobis (Ethylbenzthiazoline-6-Sulfonic Acid) (ABTS) in 1 min bei 25°C und pH 5,5.
In einer Halbmikroküvette wurden 0,6 ml 0,05 M Natrium-Azetat pH 5,5, 0,3 ml einer Lösung von 6,2 mg ABTS (Katalog Nr. A1888, Fa. Sigma, Deisenhofen) in 1 ml 0,05 M Natrium-Azetat pH 5,5, 0,025 ml einer Lösung von 0,1 ml Perhydrol in 25 ml Wasser und 0,005 ml Probe gründlich vermischt und die Extinktionszunahme nach 1 min bei 436 nm ^{Δ E436} bestimmt.
Berechnung:
Eine handelsübliche Adsorptionsmembran mit den Eigenschaften eines stark sauren Ionenaustauschers (Handelsname SARTOBIND^® S, Sartorius AG) von 2,8 cm Breite und 150 cm Länge, entsprechend 0,042 m² bzw. 115 ml Membran, wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 mit Profilfolie zu einem erfindungsgemäßen Adsorber vereinigt, wobei der Innendurchmesser des Rohres 5,2 cm betrug und das Totvolumen des Adsorbers 27 ml, mit Schläuchen 100 ml. Nach Spülung mit 0,01 Mol/l Phosphatpuffer pH 7,0 (KPi) wurden 0,2 l im Lebensmittelhandel erhältliche frische Vollmilch, enthaltend 2252 U LP, mit ca. 400 ml/min durch den Adsorber rezirkuliert. Das Volumen, einschließlich des im Totvolumen befindlichen Spülpuffers betrug somit 300 ml.
Tabelle 3 Beladungsdauer t und Lactoperoxidase – Konzentration c.
Nach der Beladung wurde der Adsorber mit KPi solange gespült, bis der Ablauf praktisch klar war und mit 28 ml 1 M NaCl in KPi im Durchlauf eluiert, wobei 902 U LP, das sind 64 % der adsorbierten Menge, wiedergefunden wurden. Es wurde nicht weiter untersucht, ob die nicht wiedergefundene Menge des Enzyms auf dessen teilweise Inaktivierung oder unvollständige Elution zurückzuführen war. In jedem Fall ist das wesentliche Ergebnis des Versuchs, dass das erfindungsgemäße Verfahren die Gewinnung von LP sogar aus Vollmilch ermöglicht und daher bei einem von Molke ausgehenden technischen Prozess keine Notwendigkeit einer aufwendigen Vorfiltration zu erwarten ist.
Beispiel 4
Gewinnung von Substanzen aus einer stark mit Partikeln belasteten Lösung nach dem Rezirkulationsverfahren
Es wurde die Vorrichtung von Beispiel 1 verwendet und auch wie in Beispiel 1 vorgegangen, mit folgenden Ausnahmen: In der BSA Lösung wurden 14,4 g im Lebensmittelhandel erhältlicher Trockenhefe suspendiert und das in der Vorlage befindliche Medium mit Hilfe eines Magnetrührers intensiv durchmischt, um einer Sedimentation vorzubeugen. Die aus der Vorlage entnommenen Proben wurden vor Bestimmung der Extinktion bei 280 nm in geeigneter Verdünnung zur Abtrennung der Partikel 2 min bei 13.000 x g zentrifugiert. Die Konzentration der bei 280 nm absorbierenden Substanzen, im Folgenden als „Protein„ bezeichnet, wurde mit BSA als Standard berechnet. Unzentrifugierte Parallelproben wurden unmittelbar nach der Probenahme 1 : 10 mit Tris verdünnt und als Maß für die Trübung die Extinktion bei 600 nm bestimmt (s. Tabelle 4).
Aus der Konzentrationsabnahme ergab sich rechnerisch eine Proteinbindung von 4,32 g.
Tabelle 4 Beladungsdauer t, Konzentration c der bei 280 nm absorbierenden Substanzen, berechnet als BSA und Trübungskennzahl E 600
Anschließend wurde die Vorrichtung mit 10 l Tris gespült, wobei die Spülflüssigkeit Anfangs leicht trübe erschien, und in einem zweistufigen Durchlaufverfahren mit 0,4 l/min eluiert. Die erste Stufe erfolgte mit 1,14 l 0,25 M NaCl in Tris, die Zweite mit 0,44 l 1 M NaCl in Tris. Abschließend wurde das Adsorbens im Rezirkulationsverfahren mit 1 l 0,1 M NaOH in Wasser für die Dauer von 30 min bei 0,4 l/min regeneriert. In den Eluaten und der neutralisierten Regenerationsflüssigkeit wurde wie oben die Proteinkonzentration und die Trübung bestimmt, wobei für letztere der Verdünnungsschritt unterblieb (s. Tabelle 5).
Tabelle 5 In den Eluatfraktionen und in der Regenerierungslösung wiedergefundene, bei 280 nm absorbierende Substanzen, berechnet als BSA und Trübungskennzahl E 600
Praktisch das gesamte gebundene Protein wurde somit wiedergefunden, davon aber nur 38,7 % in den Eluaten. Das zeigt, dass vorwiegend lösliche Komponenten der Hefe gebunden worden sind und nicht BSA, welches, wie aus Beispiel 1 hervorgeht, aus der verwendeten Membrane vollständig eluierbar ist. Die angewandte Trübungsmessung ist zwar nicht streng quantitativ, aus den gemessenen Werten lässt sich aber abschätzen, dass weniger als 0,5 % des Trubs in die Eluate und das Regenerat gelangt sind.
Beispiel 5
Bestimmung der Kapazität und der Bindungskinetik und Prozessoptimierung beim Rezirkulationsverfahren (Rechenbeispiel)
Kapazität und Bindungskinetik sind beim Rezirkulationsverfahren messtechnisch leichter zu verfolgen und mathematisch einfacher zu beschreiben als beim Durchlaufverfahren, weil, eine genügend hohe Rezirkulationsrate vorausgesetzt, Konzentration des Mediums und Beladungszustand des Adsorbens keine lokalen Unterschiede aufweisen. Einige erhaltene Ergebnisse, wie z.B. der Einfluss bestimmter Abstandshalter oder der Strömungsgeschwindigkeit, sind auf das Durchlaufverfahren direkt übertragbar, andere, wie z. B. Produktivität und Ausbeute, nur tendenziell.
Es wurde festgestellt, dass die zeitliche Konzentrationsabnahme (Messwerte der Tabellen 1, 3 und 4 der Beispiele 1, 3 und 4) mit großer Näherung (Korrelationskoeffizienten > 0,99) durch folgende Funktion wiedergegeben wird:
Sie beschreibt eine Reaktionskinetik 1. Ordnung mit einem verbleibenden Restgehalt des Reaktanden, wobei a den Vektor der 3 Parameter darstellt, die durch nichtlineare Regressionsrechnung aus den experimentellen Werten der Konzentration C und der Zeit t erhalten werden. In 1 zeigt die durchlaufende Kurve einen Graph dieser Funktion und die eingezeichneten Einzelpunkte stellen die experimentellen Werte von t und c aus Beispiel 1, Tabelle 1 dar.
Im Falle von Beispiel 3 ergab die Regressionsrechnung für a₂ allerdings einen geringfügig negativen Wert (–1,8% bezogen auf a₀). Ursache dafür könnten Messungenauigkeiten sein oder die bereits erwähnte Möglichkeit eines Aktivitätsverlustes des Enzyms während des Experiments. In diesem Falle wurde vor der Kurvenanpassung der Parameter a₂ = 0 gesetzt, was für die beispielhaften.. Berechnungen ohne prinzipielle Auswirkungen ist.
Die verwendeten Symbole, Einheiten und Berechnungen sind in Tabelle 6 zusammengestellt.
Tabelle 6 Verwendete Symbole und Einheiten
Kapazität und kinetische Daten eines bestimmten Systems gelten nur für das bei der Messung gewählte Volumsflächenverhältnis VF, weil K von der Adsorptionsisotherme des Adsorbens und damit auch physikalisch von C_inf abhängt. Die Bestimmung des kinetischen Parameters a₁ kann bei der Untersuchung der Eignung verschiedener Abstandshalter und zur Ermittlung der Auswirkung der Rezirkulationsrate auf die Bindungskinetik eingesetzt werden, in dem unter sonst gleichen Bedingungen Abstandshalter bzw. Rezirkulationsrate variiert werden. Mit Hilfe der Beziehung für t_A kann die für die Erreichung einer bestimmten Restkonzentration erforderliche Beladungszeit berechnet werden. Die die Produktivität mitbestimmende Elutionszeit richtet sich nach den Erfordernissen des jeweiligen Prozesses (z.B. Anzahl und Dauer der Spülschritte) und wurde für die Rechenbeispiele einheitlich mit 10 min angenommen.
In 2 sind die aus Beispiel 1 mit dem angenommenen Wert von te = 10 min errechneten Werte von P dargestellt sowie der aus den Parametern a berechnete Graph von P. Es zeigt sich, dass P ein Maximum durchläuft. Die Lage dieses Maximums, tmax, wurde durch numerische Lösung des beim Differenzieren von P nach t erhaltenen Ausdrucks erhalten. Mit dem verwendeten Rechenprogramm (Mathcad 8 Professional, englische Version, der Mathsoft Inc., Cambridge, Massachusetts) ergab sich dabei folgende Beziehung:
t₉₀ ist die Beladungsdauer, bei der die Ausbeute 90 % beträgt. Für die sich bei t = t_max und t = t₉₀ ergebenden Werte von P, A werden im Folgenden die Indices „max„ bzw. „90„ verwendet. In den 1 und 2 sind t_max und t₉₀ sowie die korrespondierenden Funktionswerte C_max und C₉₀ bzw. P_max und P₉₀ markiert.
Tabelle 7 Übersicht über die Charakteristika der Beispiele 1, 3 und 4. (Die Einheit g bzw. kg gilt für die Beispiele 1 und 4, U bzw. kU für Beispiel 3)
Bei t_max liegt nicht nur das Maximum der Produktivität, sondern auch das Minimum einer sinnvollen Beladungszeit, weil bei kleineren Beladungszeiten nicht nur, wie aus 2 ersichtlich, die Produktivität steil abfällt, sondern auch die Ausbeute.
Bei Beispiel 3 existieren keine Werte für A = 90%, weil A_inf nur 79,1% beträgt. Höhere Ausbeuten sind daher nur bei kleineren Werten von VF möglich. Wenn die in diesem Beispiel erreichte Ausbeute A_max = 69,7%, das sind 88,1% des bei dem angewandten Volumsflächenverhältnis erhaltenen Wertes A_inf = 79,1%, ausreicht, so sind bei diesem Beispiel ohne weiteren Ausbeuteverlust eine erhebliche Steigerung der Produktivität möglich, wenn es durch technische Maßnahmen gelingt, die erforderliche Elutionszeit zu verkürzen: eine Halbierung von t_e auf 5 min entspricht in diesem Fall einer Steigerung der Produktivität um 55,6% auf 1,24 kg/m² d. Zum Vergleich: eine analoge Vorgehensweise führt bei Beispiel 3 nur zu einer Steigerung um 19,6 %.
Bei Beispiel 3 ist eine vollständige Bindung (A_inf = 100%). Ob dies auch bei einem größeren Wert von VF zutrifft, kann nur experimentell entschieden werden. In Anbetracht der Tatsache, dass bei dem zu Grunde liegenden technischen Prozess, der LP Gewinnung aus Molke bzw. der Lactoperoxidase-Gewinnung aus Vollmilch, die Höhe der Ausbeute nicht entscheidend ist, erscheint es sinnvoll, das Volumsflächenverhältnis in die Prozessoptimierung einzubeziehen. In jedem Fall dürfte das Prozessoptimum nahe tmax liegen.

Claims

Verfahren zur adsorptiven Stofftrennung in flüssigen Medien, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Adsorbers mit einem in einem Gehäuse (3) ortsgebunden angeordneten, flächigen Adsorbens (5) mit mindestens einer adsorptiv wirksamen Oberfläche, welches zur Bindung eines Adsorbenden ausgelegt ist, wobei das Gehäuse (3) mindestens einen Zulauf (1) und mindestens einen Ablauf (2) für flüssiges Medium aufweist, (b) Optional Äquilibrieren des Adsorbens (5) mit einem flüssigen Medium und (c) Inkontaktbringen des flächigen Adsorbens (5) in dem Gehäuse (3) mit dem flüssigen Medium, welches mindestens einen Adsorbenden enthält, durch Anlegen eines Druckunterschieds zwischen Zulauf (1) und Ablauf (2), wobei das mindestens einen Adsorbenden enthaltende Medium die gesamte adsorptiv wirksame äußere Oberfläche des Adsorbens (5) tangential überströmt.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter den Schritt (d) des Inkontaktbringens des Adsorbens (5), welches mindestens einen daran im Schritt (c) adsorbierten Adsorbenden aufweist, mit einem Eluens umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens einen Adsorbenden enthaltende flüssige Medium zusätzlich Partikel enthält.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das flüssige Medium, welches in Schritt (c) den Ablauf (2) verläßt, in den Zulauf (1) rückgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 und 4, wobei das flüssige Medium nach dem Inkontaktbringen mit dem Adsorbens (5) in Schritt (c) durch eine Endadsorptionsembran filtriert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Endadsorptionsmembran ebenfalls im Gehäuse (3) in Strömungsrichtung vor dem Ablauf (2) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Endadsorptionsmembran nach dem Ablauf (2) angeordnet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Adsorbens (5) mehrlagig im Gehäuse (3) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Adsorbens (5) spiralförmig um einen fluiddichten Kern (6) gewickelt im Gehäuse (3) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei zwischen den Adsorbenslagen tangential durchströmbare, einen Abstand zwischen den Adsorbenslagen erzeugende Einrichtungen (4) angeordnet sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Adsorbens (5) kapillarförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, umfassend die Schritte: (a') Bereitstellen von zwei Adsorbern mit jeweils einem in einem Gehäuse (3) ortsgebunden angeordneten, flächigen Adsorbens (5), welche durch Leitungen (108, 109, 110, 111) mit Ventilen (102A–-107A, 102B–107B) derart in Serie geschaltet sind, daß jeder Adsorber wahlweise zuerst und unabhängig vom anderen angesteuert werden kann, (b') Optional Äquilibrieren der Adsorbenzien (5) mit einem flüssigen Medium, (c') Aufeinanderfolgendes und kontinuierliches Inkontaktbringen der beiden in den Adsorbern angeordneten Adsorbenzien (5) mit einem flüssigen Medium, (d') Eluieren des Adsorbens (5) des an erster Stelle geschalteten Adsorbens, (e') Aufeinanderfolgendes und kontinuierliches, jedoch in umgekehrter Reihenfolge, Inkontaktbringen der beiden in den Adsorbern angeordneten Adsorbenzien (5), (f) Eluieren des Adsorbens (5) des an zweiter Stelle geschalteten Adsorbens, und (g') Wiederholen der Schritte (c') – (f).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei zwischen den beiden Adsorbern mindestens ein weiterer Adsorber angeordnet ist und in den Schritten (d') bzw. (f) jeweils nur das Adsorbens (5) des an erster Stelle bzw. an letzter Stelle der in Serie geschalteten Adsorber eluiert wird, und die Adsorbenzien (5) der anderen Adsorber im jeweils darauffolgenden Schritt (e') bzw. (c') mit dem flüssigen Medium nacheinander und kontinuierlich in Kontakt gebracht werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: – einen Adsorber, umfassend – ein Gehäuse (3) mit mindestens einem Zulauf (1) und mindestens einem Ablauf (2) für flüssiges Medium und – ein flächiges Adsorbens (5) mit mindestens einer adsorptiv wirksamen Oberflächenseite, welches zur Bindung mindestens eines Adsorbenden ausgelegt und im Gehäuse (3) ortsgebunden angeordnet ist, wobei das Medium die gesamte adsorptiv wirksame äußere Oberfläche des Adsorbens (5) tangential überströmt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, umfassend: – einen Adsorber, umfassend – ein Gehäuse (3) mit mindestens einem Zulauf (1) und mindestens einem Ablauf (2) für flüssiges Medium und – ein flächiges Adsorbens (5) mit zwei adsorptiv wirksamen Oberflächenseiten, welches zur Bindung mindestens eines Adsorbenden ausgelegt und im Gehäuse (3) ortsgebunden angeordnet ist, wobei das Medium die gesamte adsorptiv wirksame äußere Oberfläche des Adsorbens (5) derart umströmt, daß die Geschwindigkeit des Mediums an jeweils gegenüberliegenden Punkten der Oberflächenseiten im zeitlichen Mittel gleich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Adsorbens (5) mehrlagig im Gehäuse (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Adsorbens (5) spiralförmig um einen fluiddichten Kern (6) gewickelt im Gehäuse (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 17, wobei zwischen den Adsorbenslagen tangential durchströmbare, einen Abstand zwischen den Adsorbenslagen erzeugende Einrichtungen (4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Adsorbens (5) kapillarförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 19, welche weiter eine Endadsorptionsmembran umfaßt; die derart angeordnet ist, daß das Medium nach dem Kontakt mit dem Adsorbens (5) durch die Endadsorptionsmembran filtriert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Endadsorptionsmembran im Gehäuse (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Endadsorptionsmembran nach dem Ablauf (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 22, wobei zwei Adsorber, jeweils umfassend ein Gehäuse (3) mit darin angeordnetem flächigen Adsorbens (5) in Serie geschaltet und durch Leitungen (108, 109, 110, 111) mit Ventilen (102A–107A, 102B–107B) derart verbunden sind, daß jeder Adsorber wahlweise zuerst angesteuert werden kann und jedes in einem Gehäuse (3) angeordnete Adsorbens (5) unabhängig vom anderen beladen und eluiert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei zwischen den beiden Adsorbern mindestens ein weiterer Adsorber angeordnet ist.