DE4028357A1 - Verfahren und vorrichtung zur adsorptiven stofftrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur adsorptiven Stofftrennung mit einem flächigen, mikroporösen Adsorbens, das relativ zu dem zu trennenden Medium transportiert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Unter adsorptiver Stofftrennung wird die reversible Bindung von Substanzen aus Fluiden an festen Oberflächen verstanden. Die wichtigsten dazu in Frage kommenden Mechanismen sind Ionenaustausch, hydrophobe Wechselwirkungen, Chelatbildung und spezifische Wechselwirkungen, wie sie beispielsweise bei der Affinitätschromatographie oder bei der Bildung von Immunkomplexen auftreten. Auch Kombinationen dieser Mechanismen sind denkbar, die im einzelnen noch nicht vollständig bekannt sind. Ein Beispiel für den letzteren Fall ist die reversible Bindung bestimmter Enzyme an auf einer festen Matrix verankerten Farbstoffen.

Eine weitere Gruppe von Mechanismen ist unter der Bezeichnung "Chemisorption" zusammengefaßt. In diesen Fällen wird die Ausbildung von reversiblen, d. h. unter entsprechenden Bedingungen wieder lösbaren kovalenten Bildungen zwischen Gruppen der festen Oberfläche und der abzutrennenden Substanz für die Stofftrennung ausgenutzt.

Wesentliche Voraussetzung für die adsorptive Stofftrennung ist die Selektivität der Adsorption, weil dadurch die erreichbaren Anreicherungs- bzw. Reinigungsfaktoren bestimmt werden. Adsorption von Substanzen an festen Oberflächen kann sowohl aus der flüssigen als auch der Gasphase erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung haben vorzugsweise die Adsorption aus flüssigen Phasen zum Gegenstand, doch sind sie auch bei Gasphasen anwendbar.

Es ist bekannt, adsorptive Stofftrennungen unter Verwendung körniger, mikroporöser Adsorbentien durchzuführen, wobei der mikroporöse Aufbau der Adsorbentien gewählt wird, um die wirksame Oberfläche und damit die Adsorptionskapazität zu erhöhen. Daneben sind auch gelförmige Adsorbentien gebräuchlich, die eine in Flüssigkeiten quellbare Matrix aufweisen, in die die zu adsorbierenden Teilchen hineindiffundieren können. Für viele Trennungen biologischer Substanzen, z. B. durch Affinitätschromatographie, ist als Basismaterial für derartige Gele Agarose gebräuchlich, die zur Erzielung der spezifischen Adsorptionseigenschaften durch Fixierung entsprechender Liganden modifiziert wird. Als Ionenaustauscherharze sind sowohl gelförmige als auch mikroporöse Ausführungen bekannt, wobei die letzteren infolge der höheren Diffusionsgeschwindigkeiten in den Mikroporen gegenüber der gequollenen gelförmigen Matrix erhebliche kinetische Vorteile aufweisen, d. h. sowohl die Beladung als auch die Regenerierung erfolgen wesentlich schneller.

Aus "Method for Continous Purification of Biological Material Using Immunosorbent", J. J. Hughes, S. E. Charm, Biotechnol. Bioeng. XXI, 1439-1455 (1979) ist eine kontinuierliche Trennapparatur unter Verwendung eines Endlosbandes bekannt, an dem ein gelförmiges Adsorbens auf Agarosebasis in Beuteln aufgebracht ist.

Ferner ist es bekannt, flächige mikroporöse Adsorbentien in Filtrationsgeräten einzusetzen. Hierfür gibt es vielfältige Ausführungsformen, die sich im wesentlichen durch die Filterflächen unterscheiden. Beispiele für derartige Filter sind plissierte Filterkerzen und "plate and frame" - cross flow - Einheiten. Die Betriebsweise der Adsorbentien in derartigen Einheiten unterscheidet sich nicht wesentlich von der üblicher Adsorbentien in Adsorbersäulen, d. h. die Einheit wird zunächst durch die hindurchgeleitete Ausgangslösung beladen, dann wird nachgespült, um nichtadsorbierte Begleitstoffe zu entfernen, und darauf folgt die Desorption des Produktes, gefolgt von Regenerierung und Äquilibrierung des Adsorbens.

Der Einsatz der bekannten flächigen, mikroporösen Adsorbentien ist jedoch aus mehreren Gründen nicht optimal. Zunächst stellt der Einbau des Adsorbens in Filterkerzen oder cross flow-Einheiten einen erheblichen Kostenfaktor dar. Verbunden damit ist ein hoher Rohstoffeinsatz, da der Materialbedarf für die Herstellung der Einheiten, im wesentlichen Kunststoffe der verschiedenen Art, ein Vielfaches des Membrangewichtes ausmacht. Da es sich bei den bekannten Filtern durchwegs um Disposibles handelt, muß bei Unbrauchbarwerden des Adsorbens, das in jedem Fall früher oder später eintritt, eine relativ große Materialmenge weggeworfen werden, was nicht zuletzt auch ein Entsorgungsproblem darstellen kann.

Ein zweiter, wesentlicher Nachteil der bekannten Einheiten ist deren im allgemeinen großes Totvolumen. Dies spielt insbesondere dann eine nachteilige Rolle, wenn bei dem Trennprozeß gleichzeitig eine Aufkonzentrierung erreicht werden soll. Dies ist im Prinzip dadurch möglich, daß bei der Desorption ein möglichst kleines Flüssigkeitsvolumen verwendet wird, was ein entsprechend kleines Totvolumen der Adsorptionseinheit voraussetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur adsorptiven Stofftrennung mit einem flächigen mikroporösen Adsorbens, das relativ zu dem zu trennenden Medium transportiert wird, zu schaffen, welche bei hohem Wirkungsgrad wirtschaftlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Adsorbens von dem Medium durchströmt wird.

Innerhalb der Mikroporen des Adsorbens wird durch Anlegen eines Druckgradienten ein konvektiver Stofftransport erreicht. Dadurch kann gegenüber der auf der Diffusion beruhenden Austauschkonetik körniger, mikroporöser Adsorbentien eine entscheidende Beschleunigung von Adsorption und Desorption (Beladung und Regenerierung) erreicht werden.

Die Anforderung an flächige, mikroporöse Adsorbentien sind sehr hoch. Neben einer hohen Adsorptionskapazität, die im wesentlichen durch eine hohe innere Oberfläche sowie die Adsorptionseigenschaften dieser Oberfläche gegeben ist, sollten sie auch eine hohe Durchströmbarkeit aufweisen, um den konvektiven Stofftransport auch bei Anwendung relativ kleiner Druckdifferenz zu ermöglichen. Für ihre Anwendung in der nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem erforderlich, daß sie eine hohe Zugfestigkeit, Flexibilität und Abriebfestigkeit aufweisen.

Ein flächiges Adsorbens, das die genannten Anforderungen in hohem Maße erfüllt, besteht aus einem mikroporösen Membranfilter, bestehend aus einem synthetischen Polymeren, dessen äußere und innere Oberfläche eine chemische Modifizierung aufweist, die die erforderlichen spezifischen Adsorptionseigenschaften bewirkt. Zur Gewährleistung der erforderlichen Zugfestigkeit ist das Adsorbens mit einem integrierten Verstärkungsmaterial aus Polyestervlies versehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden verschiedene hintereinander liegende Bereiche des Adsorbens kontinuierlich gleichzeitig von verschiedenen Medien durchströmt, d. h. während an einem Bereich des Adsorbens eine Stofftrennung und damit Beladung erfolgt, wird ein bereits durch das zu trennende Medium geführter Bereich von einem Spülmedium durchströmt und jeweils vorangehende Bereiche von einem Desorptionsmedium bzw. einem Regenerations- und Äquilibrierungsmedium, und danach wird das regenerierte und äquilibrierte Adsorbens wieder dem zu trennenden Medium zugeführt. Diese kontinuierliche Form des erfindungsgemäßen Verfahrens weist nicht nur allgemeine wirtschaftliche Vorteile auf, sondern auch den Vorteil, daß mit einem Minimum an Adsorbens gearbeitet werden kann. Dies deshalb, weil das Adsorbens unmittelbar nach der Beladung regeneriert und der neuerlichen Beladung zugeführt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Adsorbens diskontinuierlich zeitlich nacheinander von verschiedenen Medien durchströmt, d. h. es ergibt sich ein diskontinuierliches Verfahren, bei welchem der Spülprozeß, d. h. das Durchströmen des Adsorbens mit dem Spülmedium erst erfolgt, wenn der Adsorptionsschritt, d. h. die Beladung des Adsorbens abgeschlossen ist. Nach dem Spülschritt erfolgt der Desorptionsschritt mittels eines Desorptionsmediums wiederum für das vollständige Adsorbens, wonach sich der Regenerations- und Äquilibrierungsschritt anschließt. Während des Spül-, des Desorptions- und des Regenerations- und Äquilibrierungsschrittes kann keine adsorbtive Stofftrennung mit dem Adsorbens durchgeführt werden. Bei dem diskontinuierlichen Verfahren ist während der Beladung jeweils nur eine kleine Zone des Adsorbens in Tätigkeit, die anschließend bis zur Beladung des ganzen Adsorbens passiv bleibt. Analog sind die Verhältnisse bei der Desorption und der Regenerierung. Entsprechend ist für einen bestimmten Umsatz pro Zeiteinheit beim diskontinuierlichen Betrieb sehr viel mehr Adsorbens erforderlich als bei einem kontinuierlichen Verfahren.

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen wird das durch das Adsorbens geströmte Medium getrennt von dem zugeführten Medium oder Ausgangsmedium gehalten bzw. es erfolgt keine Trennung des Ausgangsmediums von dem bereits durch das Adsorbens geströmte Medium.

Neben der Art der Verfahrensführung, d. h. kontinuierlich oder diskontinuierlich, ergibt sich somit ein weiteres Unterscheidungskriterium zwischen den erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten. Die Durchströmung des Adsorbens kann entweder derart erfolgen, daß die Zufuhr und die Abfuhr des Mediums räumlich getrennt sind, was im wesentlichen einer Filtration entspricht, oder es fehlt die räumliche Trennung, d. h. das Medium vereinigt sich nach dem Durchströmen des Adsorbens wieder mit dem Ausgangsmedium.

Für die Wirksamkeit des Verfahrens ist in der Regel der erstere Fall vorzuziehen, d. h. die Trennung von Zufuhr und Abfuhr des Mediums. Dabei ist es möglich, den zu adsorbierenden Stoff vollständig aus dem Medium zu entfernen, während in dem Fall, in welchen das Medium nach dem Durchströmen des Adsorbens wieder mit dem Ausgangsmedium vereint wird, nur eine mehr oder weniger starke Abreicherung möglich ist, In Anwendungsfällen, in denen ein Schadstoff möglichst vollständig entfernt werden soll, beispielsweise bei der Entfernung von Schwermetallen aus Abwässern, spielt dies eine wesentliche Rolle. Es gibt jedoch auch Fälle, in denen ein hochwertigerer Stoff aus einem niederwertigen Ausgangsmedium gewonnen werden soll. Hier kann es sich als wirtschaftlicher erweisen, sich auf eine bestimmte Abreicherung zu beschränken, weil die für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtungen sich durch besonders einfachen Aufbau und damit kostengünstige Herstellbarkeit auszeichnen.

Die erfindungsgemäßen Verfahren können nach verschiedenen Kriterien miteinander kombiniert werden, wobei sich mit steigendem technischen Aufwand und zunehmender Effektivität folgende Kombinationsmöglichkeiten ergeben:

• 1. keine Trennung von Zu- und Ablauf, diskontinuierlich
• 2. Trennung von Zu- und Ablauf, diskontinuierlich
• 3. keine Trennung von Zu- und Ablauf, kontinuierlich
• 4. Trennung von Zu- und Ablauf, kontinuierlich.

Obwohl jede dieser Kombinationen im Einzelfall seine Berechtigung haben kann, sind die Varianten 1 und 4 besonders vorteilhaft.

Eine Vorrichtung zur adsorptiven Stofftrennung mittels eines flächigen, mikroporösen Adsorbens, welches relativ zu dem zu trennenden Mediums transportiert wird, die insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens in Form eines Bandes ausgebildet ist, daß das Band über Trommeln geführt und angetrieben wird und daß das zu trennende Medium infolge Schwerkraft oder Überdruck durch das Adsorbens geleitet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das flächige, mikroporöse Adsorbens in Bewegung, während in einem Teil der Vorrichtung ein konvektiver Transport des zu behandelnden Fluids durch das Adsorbens aufrechterhalten wird. Das bandförmige Adsorbens wird mehr oder weniger schnell durch diesen Teil der Vorrichtung transportiert, worauf es entweder zur späteren Weiterbehandlung (Spülung, Desorption, Regeneration) aufgerollt oder unmittelbar in weiteren Stufen diesen Behandlungsschritten ausgesetzt werden kann. Im ersterer Fall handelt es sich um eine diskontinuierliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, im zweiten Fall um eine kontinuierliche, nämlich dann, wenn das Adsorbens in Form eines Endlosbandes ausgebildet ist und unmittelbar nach der Regeneration wieder mit dem zu behandelnden Medium beaufschlagt wird.

Wie vorstehend ausgeführt ist eine kontinuierlich arbeitende Vorrichtung aus wirtschaftlichen Gründen und aus Kosten der kürzeren Behandlungszeiten vorzuziehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Adsorbensband um eine in einem Behälter angeordnete Schlitzdüse geführt und eine Leitung mit einer Pumpe ist von dem Behälter zu der Schlitzdüse vorgesehen.

In Weiterbildung der Erfindung ist in einem Behälter eine Vielzahl von mit dem in dem Behälter enthaltenen Medium gespeisten Schlitzdüsen hintereinander angeordnet, wobei das Adsorbensband vorzugsweise zickzackförmig um die Schlitzdüsen geführt ist und die Schlitzdüsen untereinander angeordnet sind. Das Adsorbensband ist dabei vorzugsweise breiter als der Schlitz der Schlitzdüse.

Die Vorteile der konvektiven Durchströmung flächiger, poröser Adsorbentien werden auch dann realisiert, wenn eine hundertprozentige Randabdichtung nicht gewährleistet ist. Die Dichtigkeitsanforderungen sind bei der Adsorption sehr viel geringer als etwa bei der Sterilfiltration. Eine Undichtigkeit von beispielsweise 1%, d. h. 1% der Gesamtströmung erfolgt durch undichte Stellen, hat bei der Sterilfiltration vollständige Unsterilität, also 100% Produktverlust zur Folge. Bei der Adsorption hingegen bedeutet eine Undichtigkeit von einem Prozent nur 1% weniger Ausbeute an dem zu adsorbierenden Stoff. Da das Adsorbensband vorzugsweise breiter als der Schlitz der Schlitzdüse ist, liegen die Ränder des Adsorbensbandes abdichtend an dem Gehäuse der Schlitzdüse neben dieser an, so daß eine ausreichende Dichtigkeit erreicht wird und gewährleistet ist, daß das Medium nahezu vollständig durch das Adsorbensband strömen kann. Bei den Ausführungsformen der Vorrichtung mit einer Schlitzdüse erfolgt in der Regel keine Trennung von Zu- und Ablauf des zu behandelnden Mediums, jedoch sind auch Vorrichtungen mit Trennung von Zu- und Ablauf denkbar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Adsorbensband um eine mit einer Zuführung ausgebildete, über einer Wanne angeordneten Siebtrommel geführt. Dabei ist das Adsorbensband vorzugsweise breiter als die gelochte Fläche der Siebtrommel ausgebildet, so daß das Band mit seinen Längsrändern wiederum abdichtend an der Siebtrommel anliegt und gewährleistet ist, daß das zu behandelnde Medium nur durch das Adsorbensband strömt.

Um eine gute Anlage des Adsorbensbandes an einer Schlitzdüse oder einer Siebtrommel zu gewährleisten, sind vorzugsweise Umlenk- und/oder Spannrollen vorgesehen, über die das Adsorbensband läuft.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jedes Ende des Adsorbensbandes an einer Wickeltrommel befestigt. Jede der Wickeltrommeln ist drehbar angetrieben, so daß das Adsorbensband mit einer wählbaren Geschwindigkeit abwechselnd auf der einen und der anderen Rolle aufgewickelt werden kann, wobei es an einer Schlitzdüse oder einer Siebtrommel entlanggeführt wird. Eine derartige Vorrichtung wird diskontinuierlich betrieben.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Adsorbensband endlos und durch aufeinanderfolgende Behälter mit Behandlungsmedium geführt. Eine derartige Vorrichtung wird kontinuierlich betrieben, d. h. das Adsorbensband wird nach dem Vorbeiführen an einer Schlitzdüse oder Siebtrommel entsprechenden Einrichtungen zugeführt, in welchen es von einem Spülmedium, einem Elutionsmedium und einem Äquilibrierungsmedium durchströmt wird.

Obwohl die kontinuierliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der diskontinuierlichen im allgemeinen zu bevorzugen ist, hat auch die diskontinuierliche Vorrichtung ihre Berechtigung, weil sie apparativ einfacher ist und beispielsweise bei der Ausarbeitung eines technischen Prozesses die Untersuchung der Auswirkungen einzelner Verfahrensparameter unabhängig voneinander vorgenommen werden können. Auf diese Weise können zweckmäßig die optimalen Verweilzeiten innerhalb der einzelnen Stufen untersucht werden, was die Voraussetzung für die optimale Dimensionierung der von den im kontinuierlichen Prozeß durchlaufenen Behandlungseinheiten ermöglicht. Im allgemeinen Fall werden beispielsweise bei der Aufarbeitung biologischer Medien auf Inhaltstoffe, die in relativ geringen Konzentrationen vorliegen, bei der Adsorption wesentlich größere Flüssigkeitsmengen zu verarbeiten sein, als bei den Spül- und Elutionsschritten.

Vorzugsweise wird das Adsorbensband mit einer Geschwindigkeit von 1-2 m/Min., insbesondere von 1,3 m/Min. transportiert und das Medium wird in einer Menge von 100-300 l/Std., vorzugsweise 250 l/Std. zugeführt, d. h. einer Schlitzdüse zugeleitet oder in eine Siebtrommel eingeleitet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine diskontinuierlich arbeitende Vorrichtung zur adsorptiven Stofftrennung,

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform einer Vorrichtung zur adsorptiven Stofftrennung,

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine kontinuierlich arbeitende Vorrichtung zur adsorptiven Stofftrennung,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV/IV von Fig. 3, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Ergebnisse von Beispiel 1 und 2.

Die in Fig. 1 dargestellte diskontinuierlich arbeitende Vorrichtung 10 zur adsorptiven Stofftrennung weist einen Behälter 12 auf, in welchem zwei drehangetriebene Wickeltrommeln 14 und 16 angeordnet sind. Die Wickeltrommeln 14 und 16 dienen dem abwechselnden Aufwickeln eines Adsorbensbandes 18. Das Adsorbensband 18 ist dazu mit einem Ende an der Wickeltrommel 14 und mit dem anderen Ende an der Wickeltrommel 16 befestigt. In dem Behälter sind ferner Umlenkrollen 20 und 22 angeordnet, über welche das Band geführt ist. In einem unteren, sich verengenden Bereich 24 des Behälters 12 ist eine Schlitzdüse 26 angeordnet, um welche das Band 18 geführt ist. Durch geeignete Bremseinrichtungen oder Spannrollen wird gewährleistet, daß das Band 18 eng an der Schlitzdüse 26 liegt. Die Schlitzdüse 26 kann in Form eines Rohres ausgebildet sein, in welches ein Langloch eingeschnitten ist. Das Band 18 ist etwas breiter als der Schlitz 30 in der Schlitzdüse 26, so daß es mit den Seitenrändern abdichtend an dem Körper der Schlitzdüse 26 anliegt. Aus dem unteren Bereich 24 des Behälters 12 ist eine Leitung 32 geführt, in welche eine Umwälzpumpe 34 eingeschaltet ist. Die Leitung 34 ist zu der Schlitzdüse 26 geführt, so daß aus der Schlitzdüse 26 austretendes Medium 36 durch das Adsorbensband 18 strömt. Zum Starten des Adsorptionsprozesses wird zu trennendes Medium in den Behälter 12 eingegeben, das dann über die Pumpe 34 durch die Leitung 32 der Schlitzdüse 26 zugeführt wird. Das Band 18 bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 1-2 m/Min. abhängig von der Art des zu trennenden Mediums und über die Umwälzpumpe 34 wird das Medium in einer Menge von 200-300 l/Std. aus dem Behälter abgezogen und der Schlitzdüse 26 zugeführt.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur adsorptiven Stofftrennung mittels eines flächigen, mikroporösen Adsorbens, wobei in einem Behälter oder Tank 40 eine Vielzahl von Schlitzdüsen 42, 44, 46, 48, 50 angeordnet sind. Die Schlitze zweier benachbarter Düsen 42 bis 50 sind jeweils entgegengesetzt gerichtet, so daß ein Adsorbensband 52 zickzackförmig um die Schlitzdüsen 42 bis 50 geführt ist. Das Band wird in dem Behälter 40 noch um Umlenk- und/oder Spannrollen 54, 56 und außerhalb des Behälters um Umlenkrollen 58, 60 geführt. Das Adsorbensband 52 kann mit jeweils einem Ende an Aufwickeltrommeln (nicht dargestellt) befestigt sein, oder es kann über geeignete Umlenkelemente als Endlosband geführt werden. Durch die entgegengesetzt gerichteten Schlitze benachbarter Schlitzdüsen wird das Adsorbensband 52 abwechselnd mit der einen und der anderen Seite an den Schlitzdüsen vorbeigeführt. Dadurch wird bei partikelhaltigen Suspensionen eine wirkungsvolle Freispülung von abgelagerten Partikeln erreicht. Das Leitungssystem, mit welchem in dem Behälter 40 enthaltenes Medium den Schlitzdüsen 42 bis 50 zugeführt wird, ist in Fig. 2 nicht dargestellt. Die Vorrichtung nach Fig. 2 kann kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung zur adsorptiven Stofftrennung mtittels eines flächigen mikroporösen Adsorbens. Ein Adsorbensband 70 ist um eine Siebtrommel 72 geführt, die über einer Wanne 74 angeordnet ist. In die Siebtrommel 72 wird aufzuarbeitendes Medium 76 eingeführt. Das Medium 76 durchströmt das um die Siebtrommel 72 geführte Adsorbensband 70, gelangt als behandeltes Medium 78 in die Wanne 74 und kann über eine Leitung 80 abgeleitet werden. Von der Siebtrommel 72 ist das Adsorbensband 70 über eine Umlenkrolle 82 um eine Siebtrommel 84 geführt, die über einer Wanne 86 abgeordnet ist, von welcher eine Leitung 88 ausgeht. In der Siebtrommel 84 ist Spülmedium 90 enthalten, welches durch das Adsorbensband 70 strömt, während dieses um die Siebtrommel 84 läuft. Durch das Band 70 geströmtes Spülmedium 92 wird in der Wanne 86 aufgefangen und kann über die Leitung 88 entnommen werden.

Von der Siebtrommel 84 wird das Adsorbensband 70 über eine Umlenkrolle 94 um eine Siebtrommel 96 geführt, die über einer Wanne 98 angeordnet ist. In der Siebtrommel 96 ist Elutionsmedium 100 enthalten, das durch das Adsorbensband 70 strömt, während dieses um die Siebtrommel 96 geführt wird. Durch das Adsorbensband 70 geströmtes Elutionsmedium wird in der Wanne 98 aufgefangen und kann aus dieser entnommen werden.

Von der Siebtrommel 96 wird das Adsorbensband 70 über eine Umlenkrolle 101 um eine Siebtrommel 102 und eine weitere Umlenkrolle 104 geführt. Die Siebtrommel 102 ist über einer Wanne 106 angeordnet und in der Siebtrommel 102 ist Äquilibrierungsmedium 108 enthalten, welches während des Laufes des Adsorbensbandes 70 um die Siebtrommel 102 durch dieses hindurchströmt und in der Wanne 106 aufgefangen wird, von welcher es über eine Leitung 110 entnommen werden kann.

Hinter der Umlenkrolle 104 wird das Adsorbensband 70 um eine Bahnzugregelungs- oder Spannrolle 112 und nach dieser um eine Umlenkrolle 114 geführt, um wieder zu der Siebtrommel 72 zu gelangen.

Jede der Siebtrommeln 72, 84, 96 und 102 weist geschlossene Stirnwände auf und die perforierten Zylinderflächen der Siebtrommeln weisen eine Breite auf, die geringer ist als die Breite des Adsorbensbandes 70.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Siebtrommel 72. Der mit Perforierungen 116 versehene Zylinder 118 der Siebtrommel 72 ist an beiden Enden mit Stirnwänden 120 bzw. 122 versehen, an welchen zur Lagerung der Siebtrommel Achsstummeln 124 und 126 angeordnet sind. Über einen Motor 128 wird die Siebtrommel 72 angetrieben. Der mit den Perforierungen 116 versehene Bereich des Zylinders 118 weist eine Breite auf, die geringer ist als die Breite des Adsorbensbandes 70, so daß die Ränder 130 und 132 des Adsorbensbandes 70 abdichtend an dem Zylinder 118 der Siebtrommel 72 anliegen. Die Siebtrommeln 84, 96 und 102 sind ähnlich ausgebildet, so daß auch dort die Ränder des Adsorbensbandes abdichtend an den zylindrischen, nicht perforierten Außenflächenbereichen der Siebtrommel anliegen.

Das aufzuarbeitende Medium 76 befindet sich in der Siebtrommel 72 und durchfließt infolge des sich aufbauenden hydrostatischen Druckes das mikroporöse Adsorbensband 70. Das Filtrat 78 wird in der Wanne 74 gesammelt. Beim Drehen der Siebtrommel 72 wird kontinuierlich der filtrierende Teil des Adsorbensbandes 70 weiterbewegt. Das Adsorbensband 70 wird über die Bandzugregelung 112 gespannt gehalten. Die folgenden Einheiten für den Spülschritt, den Elutionsschritt und den Äquilibrierungsschritt arbeiten nach dem gleichen Prinzip und dienen nacheinander der Spülung zur Entfernung nicht adsorbierter Begleitstoffe, der Elution der Produkte und der Äquilibrierung für die neuerliche Beladung. Zwischen den beiden letzten Stufen kann auch noch eine Regenerationsstufe eingeschaltet werden. Im Falle von Proteinaufarbeitung kann hier beispielsweise zum Entfernen festhaftender Verunreinigungen eine Behandlung mit Alkali durchgeführt werden. Die Größe der Siebtrommeln 72, 84, 96 und 102 kann bei Bedarf unterschiedlich sein. Im allgemeinen werden bei dem zu behandelnden Medium die größten Volumina anfallen, so daß dort die größte Trommel (Siebtrommel 72) verwendet wird.

Es ist auch möglich zwei Stufen oder mehrere Siebtrommeln für die Beaufschlagung mit dem Medium 76 zu verwenden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, diese in der Weise anzuordnen, daß das Adsorbensband 70 abwechselnd nach beiden Richtungen durchströmt wird. Im Falle von partikelhaltigen Medien erfolgt dadurch die Freispülung von auf dem Adsorbensband 70 abgesetzten Teilchen.

Im folgenden werden zwei Beispiele beschrieben, aus welchen die Wirkungsweise und die Vorteile der Erfindung hervorgehen. Eine Vorrichtung, wie sie der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung entspricht, wurde zur Durchführung der Versuche herangezogen. Die Vorrichtung bestand im wesentlichen aus einer Auf- und einer Abwickelrolle für das Adsorbensband, einer Wanne für das zu behandelnde Medium sowie Umlenkrollen und einer Schlitzdüse. Eine mechanische Vorrichtung bewirkte, daß das Band mit einer wählbaren Geschwindigkeit abwechselnd auf der einen und auf der anderen Rolle aufgewickelt wurde, wobei es jeweils durch das Medium gezogen werden. Die Breite des Adsorbensbandes betrug 30 cm. Die Schlitzdüse bestand aus einem Edelstahlrohr von 20 mm Durchmesser mit einem eingefrästen Schlitz von 0,3 mm Breite. Der Schlitz war etwas kürzer als die Breite des verwendeten Adsorbensbandes, so daß die Enden des Schlitzes von dem darübergleitenden Band abgedeckt wurden. Die Schlitzdüse war mit einer Pumpe verbunden, mit der das in der Wanne befindliche Medium durchgepumpt werden konnte.

Als Adsorbensband wurde eine farbstoffmodifizierte Membran verwendet, deren technische Daten im Beispiel 1 zusammengestellt sind, und die beispielsweise nach den Methoden hergestellt werden kann, wie sie in der DE-OS . . . . . . (Patentanmeldung, die am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung unter dem internen Bearbeitungszeichen S 4493 beim Deutschen Patentamt eingereicht worden ist) beschrieben werden. Als Modellsystem wurde ein Ultraschallhomogenisat von Bäckerhefe benutzt (siehe Beispiel 1), aus dem die enthaltende Malatdehydrogenase gewonnen wurde. Beispiel 1 stellt ein nicht erfindungsgemäßes Gegenbeispiel dar, bei dem die beschriebene Vorrichtung ohne Umpumpen des Mediums betrieben wurde. Im Prinzip entspricht diese Betriebsweise einer üblichen Batch-Operation eines Adsorbens, die auch mit kornförmigen Adsorbentien möglich ist. Der Vorteil des flächigen Adsorbens gegenüber dem vorgenannten besteht hier nur darin, daß es bequemer zu handhaben ist, d. h. für die Abtrennung von dem zu behandelnden Mediums sind keine Filtrations- oder Zentrifugationsschritte erforderlich, sondern es genügt ein einfaches Aufwickeln. Bei dem erfindungsgemäßen Beispiel 2 wurde das Medium während des Vorbeiziehens des Membranbandes an der Schlitzdüse durch diese gepumpt.

Beispiel 1 (Gegenbeispiel)

Käufliche Bäckerhefe wurde bei Raumtemperatur 2 Tage an der Luft getrocknet. 30 g der getrockneten Hefe wurden mit 0,05 M Kalumphosphatpuffer pH 7 auf 150 ml aufgefüllt und suspendiert unter Kühlung im Eisbad 10 Min. mit einem Ultraschallgenerator vom Typ beschallt und mit demselben Puffer auf ein Endvolumen von 1,5 l aufgefüllt. An dem erhaltenen Homogenat, einer trüben Suspension mit 2 Gew.-% Trockensubstanz, wurden folgende Werte bestimmt:

Proteinkonzentration: 3,2 mg/ml
MDH-Aktivität: 1,9 U/ml MDH-Malatdehydrogenase

Daraus ergab sich eine spezifische MDH-Aktivität von 0,6 U/mg Protein.

Dieses Medium wurde in die Wanne der Versuchsapparatur (analog Ausführungsform nach Fig. 1) gefüllt, ein 28 cm breites Band des Membranmaterials eingesetzt und mit einer Bahngeschwindigkeit von 1,3 m/Min. im Bad hin und her bewegt. Die benetzte Bandlänge betrug 2,1 m, entsprechend einer Fläche von 0,6 m². Die wichtigsten technischen Daten dieses Materials waren:

Farbstoffligand: Cibacronblau F3GA
Dicke: 190 µm
Durchflußleistung für Wasser: 10,9 ml/cm² min bar
Durchflußleistung für Na-Phosphat-Puffer 0,05 M: 25,1
Bindekapazität für LDH bei pH 7: 463 µg/cm

Die Umwälzpumpe wurde nicht in Betrieb genommen. Die MDH-Aktivität im Medium wurde über einen Zeitraum von 3 Std. hinweg bestimmt. Die MDH-Abnahme im Medium mit der Versuchszeit ist in Fig. 5 graphisch dargestellt.

Die Abnahme der MDH-Aktivität mit der Zeit erfolgte praktisch linear, wobei nach 3 Stunden noch etwa 55% der Anfangsaktivität im Medium vorhanden war.

Beispiel 2 (erfindungsgemäß)

Der Versuch nach Beispiel 1 wurde unter Betreiben der Umwälzpumpe mit einer Umwälzrate von 250 l/Std. wiederholt. Die MDH-Abnahme mit der Zeit ist ebenfalls in Fig. 5 dargestellt.

Es zeigt sich, daß der Abfall der Aktivität im Medium sehr viel schneller verläuft und die MDH-Aktivität bereits nach 1 Stunde auf 45% des Anfangswertes abfällt. In einem Parallelversuch mit Umpumpung des Mediums ohne Membrane wurde sichergestellt, daß der Aktivitätsabfall nicht durch Schädigung des Enzyms durch mechanischen Abbau stattgefunden hatte. In diesem Fall wurde im Versuchszeitraum kein merklicher Aktivitätsverlust festgestellt. Die beschleunigte Abnahme der Aktivität im Medium war daher auf die beschleunigte Bindung durch die Membrane infolge der erfindungsgemäßen Anwendung eines konvektiven Stofftransportes durch das mikroporöse Adsorbens zurückzuführen.

Nach Beendigung der Beladung wurde das Zellhomogenisat aus der Wanne der Apparatur entfernt und durch 0,05 M K-Phosphatpuffer pH 7 ersetzt. Bandbewegung und Umwälzung wurden fortgesetzt, so daß die beladene Membrane gespült wurde. Dieser Vorgang wurde insgesamt dreimal ausgeführt für eine Dauer von je 5 Min., wobei die Spülflüssigkeit jedesmal erneuert wurde.

Anschließend wurde zur Elution des gebundenen Enzyms dieselbe Behandlung mit 500 ml 1 M KCl ausgeführt. Im Eluat wurde die Aktivität der eluierten MDH sowie die Gesamtproteinkonzentration bestimmt.

Es ergab sich, daß 61% der gebundenen MDH eluiert wurden und die spezifische Aktivität des eluierten Enzyms 14 U/mg betrug, entsprechend einem Reinigungsfaktor gegenüber dem Ausgangsmedium von 15.

Die letzteren Daten werden hier nur zur Illustration wiedergegeben. Sie sind nur eine Folge der Spezifität des verwendeten Adsorbens und stehen mit der Erfindung nicht in direktem Zusammenhang.

Claims (19)

1. Verfahren zur adsorptiven Stofftrennung mit einem flächigen mikroporösen Adsorbens, das relativ zu dem zu trennenden Medium transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens von dem Medium durchströmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene hintereinander liegende Bereiche des Adsorbens kontinuierlich gleichzeitig von verschiedenen Medien durchströmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens diskontinuierlich zeitlich nacheinander von verschiedenen Medien durchströmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Adsorbens geströmte Medium getrennt von dem zugeführten Medium gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Adsorbens geströmte Medium mit dem zugeführten Medium vereint wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens von dem zu trennenden Medium, einem Spülmedium, einem Desorptionsmedium und einem Regenerations- und Äquilibrierungsmedium durchströmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbensband mit einer Geschwindigkeit von 1-2 m/min transportiert und das Medium mit 100-300 l/h zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportgeschwindigkeit des Adsorbensbandes 1,3 m/min und die Fördermenge des Mediums 250 l/h betragen.

9. Vorrichtung zur adsorptiven Stofftrennung mittels eines flächigen, mikroporösen Adsorbens, welches relativ zu dem zu trennenden Medium transportiert wird, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens in Form eines Bandes (18, 52, 70) ausgebildet ist, daß das Band über Trommeln (14, 16; 72, 84, 96, 102) geführt und angetrieben wird, und daß das zu trennende Medium infolge Schwerkraft oder Überdruck durch das Adsorbens geleitet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbensband (18, 52) um in einem Behälter (12; 40) angeordnete Schlitzdüsen (24; 42, 44, 46, 48, 50) geführt ist und daß eine Leitung (32) mit einer Pumpe (34) von dem Behälter (12) zu der Schlitzdüse (24) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Behälter (40) eine Vielzahl von mit dem in dem Behälter enthaltenen Medium gespeisten Schlitzdüsen (42, 44, 46, 48, 50) hintereinander angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbensband (52) zickzackförmig um die Schlitzdüsen (42-50) geführt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüsen (42-50) untereinander angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbensband (18, 52) breiter als der Schlitz der Schlitzdüse (24; 42-50) ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbensband (70) um eine mit einer Zuführung ausgebildete, über einer Wanne (74) angeordneten Siebtrommel (72) geführt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbensband (70) breiter ist als die gelochte Fläche der Siebtrommel (72).

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbensband über Umlenk- und/oder Spannrollen geführt ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende des Adsorbensbandes (18) an einer Wickeltrommel (14, 16) befestigt ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbensband (70) endlos ist und aufeinanderfolgende Stufen mit verschiedenen Behandlungsmedien durchläuft.