DE10394224B4

DE10394224B4 - Verfahren zur Abtrennung und Rückgewinnung von Polyethylenglykol (PEG) aus verbrauchten, wässrigen Zweiphasensystemen

Info

Publication number: DE10394224B4
Application number: DE10394224T
Authority: DE
Inventors: Naveen Nagaraj; Chethana Sampangi; Sreesaila Mallikarjuna Srinivas Raghavarao Karumanchi
Original assignee: Council of Scientific and Industrial Research CSIR
Current assignee: Council of Scientific and Industrial Research CSIR
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2023-04-01
Also published as: CN100418897C; BR0318257B1; JP4611032B2; JP2006521912A; AU2003226636A1; BR0318257A; CN1771200A; DE10394224T5; WO2004087580A1

Abstract

Verfahren zur Abtrennung und Rückgewinnung von Polyethylenglykol aus einem verbrauchten, wäßrigen Zweiphasensystem, umfassend das
(a) Abtrennen der an Polyethylenglykol (PEG) reichen oberen Phase von einem verbrauchten wäßrigen Zweiphasensystem (ATPS);
(b) Aussetzen der abgetrennten PEG-reichen Phase einem Mikrowellenfeld;
(c) Bestrahlen der PEG-reichen Phase mit dem Mikrowellenfeld über einen Zeitraum in dem Bereich von 1,5–3 Minuten oder bis die Dispersion zwei Phasen unter Ausscheiden von Wasser unter Bilden der unteren Phase und einer an PEG reichen oberen Phase bildet;
(d) Abtrennen der PEG-reichen oberen Phase und Trocknen unter Erhalten von trockenem und gepulvertem PEG mit einer Rückgewinnung von 94–95%.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung und Rückgewinnung von Polyethylenglykol (PEG) aus verbrauchten, wäßrigen Zweiphasensystemen (ATPS). Die vorliegende Erfindung bezieht sich genauer auf die Rückgewinnung von PEG aus verbrauchten, wäßrigen Zweiphasensystemen durch die Anwendung von Mikrowellenenergie.

Hintergrund der Erfindung

Die Extraktion mittels wäßriger Zweiphasensysteme (ATPS) findet bei der Trennung, Konzentration und Reinigung biologischer Produkte wie etwa Proteine/Enzyme, Viren, Zellen und anderer Biomaterialien aus Fermentationsbrühe und Zellkulturmedien weitverbreitete Anwendung. Die Verwendung von ATPE verringert die Gewässerbelastung, das Entfernen von Zelltrümmern, Polysacchariden, Nukleinsäuren usw. sehr wesentlich und verringert die Anzahl der nachfolgenden Verarbeitungsschritte. Die Haupthindernisse für die weitverbreitete Einführung von ATPE im industriellen Maßstab sind die hohen Kosten phasenbildender Polymeren und Umweltprobleme, die aufgrund der Entsorgung der phasenbildenden Polymeren nach der Extraktion von Biomolekülen auftreten. Es besteht somit ein Bedürfnis nach einer Polymerenabtrennung und Rückgewinnung aus ATPS nach der Extraktion von Biomolekülen. Derzeit wird eine Polymerphasenrecyclierung nach der Extraktion von Biomolekülen zum Verbessern der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens eingesetzt. Bei diesem Verfahren besteht jedoch die Möglichkeit, daß die Verunreinigungen, die vorher in der Polymerphase vorhanden sind, in das Phasensystem gelangen, anstatt von den Biomolekülen abgetrennt zu werden. Dies führt zu einer Verringerung des gewünschten Reinheitsgrades der Biomoleküle beim Betrieb in großem Maßstab. Herkömmliche Verfahren wie Verdampfen und Vakuumtrocknen sind allein zur Polymerrückgewinnung aus ATPS wirtschaftlich unbrauchbar, was auf die hohen Energieanforderungen und die Notwendigkeit spezieller Ausrüstungen für das Erzeugen und das Aufrechterhalten des er forderlichen Vakuums zurückzuführen ist. Ferner benötigen diese Verfahren aufgrund der Anwesenheit großer Wassermengen zusammen mit dem Polymer eine längere Dauer zur vollständigen Rückgewinnung von PEG. Es besteht somit ein Bedürfnis nach einem wirtschaftlich brauchbaren Verfahren zur vollständigen Rückgewinnung von PEG aus verbrauchten Zweiphasensystemen nach der Extraktion von Biomolekülen. Außerdem besteht ein Bedürfnis nach der Anwendung eines äußeren Feldes wie etwa eines Mikrowellenfelds weiter zusammen mit herkömmlichem Heißlufttrocknen zum Abtrennen und vollständigen Rückgewinnen von PEG aus einem verbrauchten ATPS in höherer Geschwindigkeit bei minimalem Energieverbrauch.

Es kann auf Harries und Yalpani, 1985, „Polymer-ligands used in affinity partitioning and there synthesis" [„Bei der Affinitätsverteilung verwendete Polymerliganden und ihre Synthese"] hingewiesen werden. In „Partitioning of aqueous twophase systems" [„Verteilung wäßriger Zweiphasensysteme"], Hrsg. Walter et al., S. 589–626, Academic Press, New York, wird die Rückgewinnung von PEG in trockener Form durch Kühlen unter Führen zur Kristallisation oder Fällung mit Ether bewerkstelligt. Bei diesem Verfahren ist die Verwendung von Chemikalien wie etwa Ether unerwünscht, ja sogar schädlich, da das zurückgewonnene Polymer zur Extraktion von Biomolekülen wiederverwendet werden muß. Weiterhin sind zusätzliche Verfahrensschritte zum Entfernen von Ether unerläßlich. Ferner ist ein weiterer Weg zum Erhalten von trockenem PEG das Aufrechterhalten eines Vakuums bei einer Temperatur von 110–120°C. Bei diesem Verfahren benötigt die Rückgewinnung von PEG eine lange Zeit und die Verwendung eines Vakuums macht es beim Einsatz in großem Maßstab wirtschaftlich unbrauchbar.

Es wird auf das Recyclieren einer polymerreichen Phase bei zweistufigen, wäßrigen Zweiphasensystemen zur Rückgewinnung von Hefegesamtprotein, Pyruvatkinase und Fumerase hingewiesen (Palomares und Lyddiatt, 1996, J. Chrom. B, 680, 81–89). Bei diesem Verfahren wird das Polymer jedoch teilweise zusammen mit dem Biomolekül recycliert und ferner ist der erzielte Proteinreinigungsgrad niedrig, wenn was Polymer recycliert wird, was auf die Anwesenheit von Verunreinigungen in der recyclierten Polymerphase zurückzuführen ist.

Es wird auf Johansson, 1994, Methods in Enzymology, Bd. 228, S. 571, hingewiesen, worin ein Copolymer aus Ethylenoxid und Propylenoxid zum Bilden der Phasensysteme verwendet wird. Diese Polymeren werden durch Erhöhen der Temperatur isoliert. Bei diesem Verfahren werden die Polymeren jedoch als Gemisch aus beiden Polymeren zurückgewonnen. Es ist anzumerken, daß alle diese Verfahren, auf die hier Bezug genommen wurde, sich auf die Polymerrückgewinnung durch Fällung, Umkristallisation oder durch Vakuum oder das Recyclieren des Polymers zurück oder die Rückgewinnung in Form eines Gemischs aus zwei Polymeren bezieht. Diese Verfahren werden zur nachfolgenden Trennung, Extraktion und Reinigung von Biomolekülen durch die Bildung von ATPS eingesetzt. Dieses Verfahren ist nur zur Rückgewinnung eines duroplastischen Polymers geeigneter und ist nicht zur Trennung und Rückgewinnung von PEG geeignet.

Es gibt keine in der Literatur verfügbaren Berichte über die Rückgewinnung von trockenem PEG aus ATPS unter Anwendung eines äußeren Felds wie etwa eines Mikrowellenfelds.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens zur Trennung und Rückgewinnung von PEG aus verbrauchten ATPS.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Ausnützen der Anwendung eines mit Heißlufttrocknen gekoppelten Mikrowellenfelds zur PEG-Rückgewinnung aus ATPS.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines schnelleren, wirtschaftlichen Verfahrens zur vollständigen Trennung und Rückgewinnung von PEG aus ATPS.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Fördern der leichteren Trennung industriell wichtiger Biomoleküle.

Zusammenfassung der Erfindung

Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Trennung und Rückgewinnung von PEG aus verbrauchten, wäßrigen Zweiphasensystemen bereit, umfassend (wie in 1 dargestellt):

a) Abtrennen der PEG-reichen oberen Phase vom verbrauchten ATPS.
b) Die abgetrennte PEG-reiche Phase wird einem Mikrowellenfeld mit einer Frequenz von 900–2450 MHz bei einer Leistungsabgabe von 175–800 Watt in einem Mikrowellenofen (4) ausgesetzt.
c) Die PEG-reiche Phase wird mit dem Mikrowellenfeld über eine von 1,5–3 Minuten schwankende Zeitdauer oder bis die Dispersion zwei Phasen bildet bestrahlt, wobei Wasser unter Bilden der unteren Phase und der an PEG reichen oberen Phase ausgeschieden wird.
d) Die PEG-reiche Phase wird abgetrennt und anschließend über eine Zeitdauer von 45–60 Minuten bei einer Temperatur von 100–105°C unter Erhalten von trockenem und gepulvertem PEG mit einer Rückgewinnung von 94–95% in einem Heißluftofen getrocknet.

Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann bei der Trennung und Rückgewinnung durch das vorstehende Verfahren PEG mit einem von 1500–20000 schwankenden Molekulargewicht eingesetzt werden.

Kurze Beschreibung der begleitenden Zeichnung

1 ist eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus der Erfindung.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nun unter Bezug auf 1 der begleitenden Zeichnung erläutert, die ein schematisches Diagramm des Versuchsaufbaus darstellt. In 1 wird die PEG-reiche obere Phase vom Salz abgetrennt oder die andere polymerreiche Phase (1) wird in einem Scheidetrichter (2) aufgenommen, der auf ein Stativ (3) innerhalb eines Mikrowellenofens (4) gestellt wird, der das Mikrowellenfeld von dem Magnetron (5) bei einer spezifischen Frequenz und Leistungsstärke zu der PEG-reichen Phase (1) überträgt. Nach dem Aussetzen dem Mikrowellenfeld bildet die PEG-reiche obere Phase zwei Phasen, wobei nur die obere PEG-reiche Phase abgetrennt und in eine Petrischale aufgenommen wird und in einem Heißluftofen bei einer Temperatur von 105°C (6) unter Erhalten von trockenem PEG getrocknet wird.

Das Verfahren der Erfindung umfaßt die Abtrennung und Rückgewinnung von PEG aus verbrauchten, wäßrigen Zweiphasensystemen, umfassend das (wie in 1 dargestellt):

(a) Abtrennen einer PEG-reichen oberen Phase von verbrauchten ATPS;
(b) Aussetzen der abgetrennten PEG-reichen Phase einem Mikrowellenfeld mit einer Frequenz von 900–2450 MHz bei einer Leistungsabgabe von 175–800 Watt in einem Mikrowellenofen (4);
(c) Bestrahlen der PEG-reichen Phase mit einem Mikrowellenfeld über einen von 1,5–3 Minuten schwankenden Zeitraum oder bis die Dispersion zwei Phasen unter Ausscheiden von Wasser unter Bilden der unteren Phase und der an PEG reichen, oberen Phase bildet;
(d) Abtrennen der PEG-reichen Phase und anschließend Trocknen in einem Heißluftofen über einen Zeitraum von 45–60 Minuten bei einer Temperatur von 100–105°C unter Erhalten von trockenem und gepulvertem PEG mit einer Rückgewinnung von 94–95%.

Die Abtrennung und Rückgewinnung durch das vorstehende Verfahren kann unter Einsetzen von PEG mit einem von 1500–20000 schwankenden Molekulargewicht eingesetzt werden.

Bei der vorliegenden Erfindung wird die abgetrennte obere PEG-reiche Phase in einem Scheidetrichter aufgenommen, der auf ein Stativ innerhalb eines Mikrowellenofens gestellt wird. Das Mikrowellenfeld wird aus dem Magnetron angelegt, bis in der PEG-reichen Phase heftige Bewegung zu beobachten ist. Das Mikrowellenfeld wird abgezogen und man läßt die PEG-reiche obere Phase auf Raumtemperatur abkühlen. Die PEG-reiche Phase trennt sich beim Abkühlen in zwei getrennte Phasen, die anschließend getrennt und zuerst gewogen werden. Die abgetrennte obere Phase und untere Phase werden anschließend zum Entfernen des Restwassers in einem Heißluftofen bei 105°C getrocknet. Das Gewicht der trockenen oberen und unteren Phase wird notiert und mit dem Anfangsgewicht vor dem Trocknen verglichen, um die Rückgewinnung des PEG auszuweisen.

Weiter wurden die physikalischen Eigenschaften wie etwa Dichte, Viskosität und Feuchtigkeitsgehalt des zurückgewonnenen PEG wie in Tabelle 1 dargestellt abgeschätzt. Ferner blieb der Verteilungskoeffizient bei den an den Phasensystemen, die aus frischem PEG und zurückgewonnenem PEG hergestellt wurden, durchgeführten Untersuchungen unbeeinflußt. Tabelle 1 Rückgewinnung von PEG unter Verwenden eines Mikrowellenfelds

Bei dem herkömmlichen Verfahren wird Wasser, das zusammen mit dem PEG vorliegt, durch Vakuumtrocknen bei einer Temperatur von 110–120°C oder durch Fällung mit Chemikalien wie etwa Ether entfernt. Weiterhin ist das Vakuumtrocknen langsam und schwierig zu vergrößern und erfordert eine teure Ausrüstung zur Herstellung und Aufrechterhaltung des benötigten Vakuums. Mit anderen Worten ist die Rückgewinnung von PEG selbst aufgrund größerer Mengen an zusammen mit dem PEG vorliegender Wasserlast sehr mühsam.

Das Neue an der vorliegenden Erfindung ist, daß die Anwendung eines Mikrowellenfelds zu einer Dipolrotation zusammen mit dem PEG vorliegender freier Wassermoleküle führt, was mit einem Temperaturanstieg verbunden ist. Diese Temperaturzunahme macht das PEG hydrophober, wodurch das Wasser aus der PEG-reichen Phase ausgetrieben wird. Dieses bildet eine getrennte untere Phase zusammen mit einer gewissen Menge Salz, das aus der PEG-reichen Phase abgereichert wird. Das Entfernen von Wasser aus der PEG-reichen Phase ermöglicht die schnellere Rückgewinnung von PEG durch Heißlufttrocknen bei vergleichsweise geringerer Zeitdauer und geringerem Energieverbrauch.

Die folgenden Beispiele sind zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung angegeben und sollten nicht als den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränkend angesehen werden.
Beispiel 1
30 g PEG-reiche, von ATPS (1) abgetrennte obere Phase, die aus 16,07% PEG und 84% Wasser bestand, wurde in einem Scheidetrichter (2) aufgenommen, der auf ein Stativ (3) im Inneren eines Mikrowellenofens gestellt war. Die abgetrennte PEG-reiche obere Phase wurde einem aus einem Magnetron (5) angelegten Mikrowellenfeld ausgesetzt, das auf einen Mikromodus eingestellt war und während des Versuchs bei einer Frequenz von 2450 MHz und einer Temperatur von 110°C gehalten wurde. Der Versuch wurde (über eine Zeitdauer von 1,5 Minuten) fortgesetzt, bis die Dispersion zwei Phasen gebildet hatte. Die obere und untere Phase wurden getrennt und einzeln in einem bei einer Temperatur von 105°C gehaltenen Heißluftofen getrocknet. Von dem auf diese Weise erhaltenen Produkt wurde abgeschätzt, daß es eine Rückgewinnung von 94% aufwies.
Beispiel 2
30 g PEG-reiche, von ATPS (1) abgetrennte obere Phase, die aus 16,07% PEG und 84% Wasser bestand, wurde in einem Scheidetrichter (2) aufgenommen, der auf ein Stativ (3) im Inneren eines Mikrowellenofens gestellt war. Die abgetrennte PEG-reiche obere Phase wurde einem aus einem Magnetron (5) angelegten Mikrowellenfeld ausgesetzt, das auf einen Kombimodus eingestellt war und während des Versuchs bei einer Frequenz von 2450 MHz und einer Temperatur von 120°C gehalten wurde. Der Versuch wurde fortgesetzt, bis die Dispersion zwei Phasen gebildet hatte. Die obere und untere Phase wurden getrennt und einzeln in einem bei einer Temperatur von 105°C gehaltenen Heißluftofen getrocknet. Von dem auf diese Weise erhaltenen Produkt wurde abgeschätzt, daß es eine Rückgewinnung von 95% aufwies.
Die Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung sind:

1. sie trägt bedeutend zur leichten und wirksamen Rückgewinnung von PEG aus ATPS bei;
2. sie ermöglicht das Überwinden einer Umweltgefährdung, die mit dem Entsorgen von PEG einhergeht;
3. sie ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad und eine schnellere Rückgewinnung von PEG gegenüber herkömmlichen Verfahren der Polymerrückgewinnung;
4. sie ermöglicht das Überwinden des Hauptengpasses bei dem industriellen Rückgewinnungsverfahren von PEG durch Vermeiden der Verwendung eines Fällungsmittels.

Aufgrund der vorliegenden Erfindung konnte dies sowohl durch das Entfernen von Wasser als auch ohne die Verwendung von Fällungsmitteln bewerkstelligt werden, was wiederum die Kosten der PEG-Rückgewinnung drastisch verringert und ferner PEG frei von Chemikalien (wie etwa Salz und Fällungsmittel) erhalten läßt.

Claims

Verfahren zur Abtrennung und Rückgewinnung von Polyethylenglykol aus einem verbrauchten, wäßrigen Zweiphasensystem, umfassend das (a) Abtrennen der an Polyethylenglykol (PEG) reichen oberen Phase von einem verbrauchten wäßrigen Zweiphasensystem (ATPS); (b) Aussetzen der abgetrennten PEG-reichen Phase einem Mikrowellenfeld; (c) Bestrahlen der PEG-reichen Phase mit dem Mikrowellenfeld über einen Zeitraum in dem Bereich von 1,5–3 Minuten oder bis die Dispersion zwei Phasen unter Ausscheiden von Wasser unter Bilden der unteren Phase und einer an PEG reichen oberen Phase bildet; (d) Abtrennen der PEG-reichen oberen Phase und Trocknen unter Erhalten von trockenem und gepulvertem PEG mit einer Rückgewinnung von 94–95%.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei in Schritt (b) das Mikrowellenfeld eine Frequenz in dem Bereich von 900–2450 MHz und eine Leistungsabgabe von 175–800 Watt aufweist.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei Schritt (b) in einem Mikrowellenofen durchgeführt wird.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Trocknen in Schritt (d) in einem Heißluftofen über einen Zeitraum in dem Bereich von 45–60 Minuten und bei einer Temperatur in dem Bereich von 100–105°C durchgeführt wird.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei das Polyethylenglykol ein Molekulargewicht in dem Bereich von 1500–20000 aufweist.