DE4116426A1 - Verfahren zur selektiven abtrennung von bestandteilen aus der hydrophoben phase von revers-micellaren systemen oder von w/o-mikroemulsionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Abtren­ nung von Bestandteilen aus der hydrophoben Phase von revers- micellaren Systemen oder von W/O-Mikroemulsionen.

Als besondere Klasse von Emulsionen werden Mikroemulsionen und revers-micellare Systeme betrachtet. Mikroemulsionen sind Emulsionen mit sehr kleinen Tröpfchendurchmessern und revers-micellare Systeme bestehen aus Aggregaten von Tensi­ den mit sehr kleinen Durchmessern (15-20 A), wobei sich innerhalb der Micellen die wäßrige bzw. hydrophile Phase befindet und außerhalb die organische bzw. hydrophobe. Die Durchmesser der Tröpfchen bzw. der Micellen sind so gering, daß die Lösungen optisch transparent erscheinen und Phasen­ grenzflächen von bis zu 100 m²/ml Lösung erhalten werden. Der Übergang von revers-micellaren Systemen zu Mikroemulsi­ onen vom Typ "Wasser in Öl" (W/O-Mikroemulsionen) ist nicht eindeutig definiert und wird durch die Micell- bzw. durch die Tröpfchengröße festgelegt. Die Größe der reversen Micellen hängt dabei im Wesentlichen von dem Verhältnis der Wasserkonzentration zur Tensidkonzentration ab. Als weitere Einflußgrößen sind Temperatur, Ionenkonzentrationen und Art und Menge weiterer gelöster Stoffe zu berücksichtigen.

Wie schon erwähnt ist der Übergang von revers-micellaren Systemen zu W/O-Mikroemulsionen nicht eindeutig definiert, W/O-Mikroemulsionen zeichnen sich jedoch im Gegensatz zu revers-micellaren Systemen durch ihren höheren Wassergehalt aus. Wenn im weiteren von reversen Micellen oder von revers-micellaren Systemen gesprochen wird, so sollen grundsätzlich auch W/O-Mikroemulsionen in die Ausführungen mit eingeschlossen sein.

Wird z. B. ein Enzym in einem revers-micellaren System ge­ löst, so hält sich das Enzym je nach dem Grad seiner Hydro­ philie entweder völlig in der Micelle, in der Zwischenphase oder teilweise im organischen Lösungsmittel auf. Die rever­ sen Micellen geben dem Enzym also die Möglichkeit, sich seine optimale Umgebungsbedingungen, die häufig dem Zustand in der lebenden Zelle entsprechen, selbst zu schaffen.

Revers-micellare Systeme sind in der Lage, hydrophile Substanzen, z. B. Enzyme oder andere Katalysatoren in ihrem Inneren einzuschließen und somit in einer organischen bzw. hydrophoben Phase zu lösen. Es können z. B. Enzyme in revers-micellaren Systemen gelöst werden, ohne daß sie ihre Aktivität verlieren, und somit können reverse Micellen als Mikroreaktoren betrachtet werden, deren Dimensionen leicht variierbar und dem jeweiligen Anwendungsfall anpaßbar sind. Revers-micellare Systeme können deshalb zur Synthese der verschiedensten Substanzen eingesetzt werden. Handelt es sich bei den produzierten Substanzen um hydrophobe Verbin­ dungen, so diffundieren diese aus dem wäßrigen Milieu der Micelle in die organische Phase und reichern sich dort an.

Mikroemulsionen und reverse Micellen zeichnen sich gegenüber herkömmlichen Zweiphasen-Systemen besonders durch ihre thermodynamische Stabilität und die feine Verteilung der beiden Phasen ineinander aus. Ein Vorteil dieser Systeme gegenüber einfachen Emulsionen liegt daher in der großen Phasengrenzfläche und dem damit verbesserten Stofftransport zwischen den beiden Phasen. Zusätzlich bieten W/O-Mikroemulsionen und revers-micellare Systeme den Vor­ teil, daß ein hydrophiles Enzym durch die Anordnung der Tenside an der Phasengrenzfläche nicht in direkten Kontakt mit der organischen Phase kommt. Da viele Enzyme an der Phasengrenzfläche Wasser/organisches Lösungsmittel durch Grenzflächenkräfte denaturiert werden, tritt in revers- micellaren Systemen und W/O-Mikroemulsionen eine im Ver­ gleich zu anderen wäßrig/organischen Systemen erhöhte Stabilität des Enzymes auf.

In der Biotechnologie haben revers-micellare Systeme Auf­ merksamkeit erregt, da durch sie der Umsatz hydrophober Substanzen ermöglicht wird, während sich der Biokatalysator, wie z. B. ein Enzyme oder ein Mikroorganismus, in der hydro­ philen Umgebung innerhalb der Micelle aufhält. Aufgrund der geringen Durchmesser der Micellen sind Diffusionslimitie­ rungen im Vergleich zu anderen Zweiphasen-Systemen stark vermindert. Revers-micellare Systeme sind daher mit einer großen Anzahl von Enzymen und auch mit Mikroorganismen zur Umsetzung verschiedenster Substrate untersucht worden (P.L.Luisi und C.Laane, Trends in Biotechnology, 6, 153-161, 1986). Der Einsatz revers-micellarer Systeme in Produkti­ onsprozessen wird jedoch durch die schwierige Aufarbeitung der Produkte limitiert. Insbesondere gestaltet sich die Abtrennung der Micellen, der Tenside und der Produkte und die Einhaltung konstanter Bedingungen im Reaktionsraum als äußerst schwierig. Da die Micellen bzw. die Tröpfchen sehr klein sind, werden sie in einem Filtrationsverfahren nur unvollständig zurückgehalten und verunreinigen somit den Produktstrom. Die Abtrennung der Produkte aus dem Produkt­ strom wird dann durch Destillation oder durch Extraktion bewerkstelligt oder durch chromatographische Verfahren. Nachteil all dieser Aufarbeitungsverfahren ist jedoch der Umstand, daß dabei die Micellen bzw. die Tröpfchen zerstört und der (Bio)Katalysator geschädigt wird. Ferner handelt es sich hier um mehrstufige Verfahren, die technisch und energetisch sehr aufwendig, kostenintensiv und in der Regel nicht kontinuierlich durchführbar sind.

Von Lüthi (P.Lüthi und P.L.Luisi: Enzymatic synthesis of hydrocarbon-soluble peptides with reverse micelles; J.Am.Chem.Soc., 106, 7285-7286, 1984) und von Eggers (Bioprocess Engineering, 3, 83-91, 1988) wurde über den Einsatz revers-micellarer Systeme in einem kontinuierlich betriebenen Reaktor berichtet, wobei das Produkt über Hohl­ faser-Ultrafiltrationsmembranen abgetrennt wurde. Dieses Verfahren ist jedoch durch Membranfouling und unvollständige Rückhaltung der Tenside auf eine kurze Versuchsdauer be­ grenzt und für den Einsatz in kontinuierlichen Produktions­ prozessen ungeeignet.

Bislang ist kein Verfahren bekannt, das den Einsatz revers- micellarer Systeme in kontinuierlichen Prozessen ermöglicht und eine einfache Produktaufarbeitung gewährleistet. Tat­ sächlich limitiert das Fehlen entsprechender Aufarbeitungs­ verfahren den Einsatz revers-micellarer Systeme in der biotechnologischen Verfahrenstechnik, denn die Aufarbeitung von Mikroemulsionen oder von reversen Micellen stellt ein erhebliches Problem dar. Die dispergierten Tröpfchen bzw. Micellen sind besonders klein und deshalb sind mechanische Trennverfahren nur begrenzt anwendbar. Eine komplette Phasentrennung der beiden Phasen ist nicht möglich, ohne den Biokatalysator dabei zu schädigen. In einigen Mikroemulsi­ onen und revers-micellaren Systemen kann zwar durch Tempe­ raturänderung der Übergang von revers-micellaren Systemen in ein Zweiphasen-System herbeigeführt werden, da der Verlauf der Phasengrenzen von der Temperatur abhängt. Man erhält dann aber eine den Biokatalysator enthaltende, wäßrige Phase und eine das Produkt enthaltende, organische Phase. Dieses Verfahren ist jedoch nur für bestimmte reverse Micellen (Paarungen von Tensiden und Lösungsmitteln) an­ wendbar, d. h. dieses Vorgehen hängt stark von der Zusammen­ setzung des jeweiligen Mehrkomponenten-Systems ab und ist deshalb nur für wenige Systeme anwendbar. Außerdem enthalten beide Phasen nach der Phasentrennung noch Tenside, sodaß der Produktstrom verunreinigt ist.

Eine andere Methode der Aufarbeitung besteht z. B. darin, bei Verwendung von ionischen Tensiden durch Zugabe von Säuren das Zweiphasen-System zu trennen. Auch hier erhält man aber die o.g. Nachteile: die Micellen werden zerstört, sind nicht mehr aufbereitbar und müssen verworfen werden. Ferner erhält man durch die Zugabe der Säure weitere Nebenprodukte, die ebenfalls abgetrennt werden müssen.

Alternativ kann man zwar durch den Einsatz der Ultra- bzw. der Nanofiltration reverse Micellen bzw. Mikroemulsions­ tröpfchen zu einem Großteil im Reaktor zurückhalten und die das Produkt enthaltende organische Phase abtrennen, aber das Tensid wird dabei nicht vollständig durch die Membran zurückgehalten, da nicht alle Tensid-Moleküle in Micellag­ gregaten gebunden sind. In revers-micellaren Systemen oder in Mikroemulsionen liegt das Tensid sowohl gebunden in Micellaggregaten als auch als gelöstes Monomer vor, das durch die Filtrationsmembran nicht zurückgehalten wird. Deshalb ist der Produktstrom mit Tensid verunreinigt und dem Reaktor muß ständig neues Tensid zugeführt werden.

Da sich die Phasentrennung und die Produktabtrennung bei Mikroemulsionen und bei revers-micellaren Systemen so schwierig gestaltet, werden diese Systeme in der präparati­ ven Biotechnologie bisher kaum eingesetzt, und eine indu­ strielle Anwendung in einem kontinuierlichen Produkti­ onsprozeß ist nur mit einem nichtvertretbar großen tech­ nischen Aufwand zu realisieren (Vgl. Bioprocess Engineering, 3, 89-90, 1988).

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem aus der organischen bzw. aus der hydro­ phoben Phase von revers-micellaren Systemen oder von W/O-Mikroemulsionen Bestandteile, z. B. gewünschte Reakti­ onsprodukte oder auch Nebenprodukte, einfach, ohne großen technischen Aufwand, kostengünstig, schnell und selektiv abgetrennt werden können, ohne dabei das Zweiphasen-System zu zerstören oder den (Bio)Katalysator zu schädigen. Ferner soll es möglich sein, revers-micellare Systeme oder W/O-Mikroemulsionen in kontinuierlichen Produktionsprozessen einzusetzen, und die Produktabtrennung und die -aufarbeitung einfach, ohne großen technischen Aufwand, kostengünstig, schnell und selektiv zu gestalten, ohne dabei die Micellen bzw. die Tröpfchen zu zerstören und den (Bio)Katalysator zu schädigen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß man das revers- micellare System oder die W/O-Mikroemulsion auf der einen Seite einer für die abzutrennenden Bestandteile durchläs­ sigen und für Tenside und die hydrophilen Tröpfchen un­ durchlässigen Membran vorbei strömen läßt, daß man auf der Permeatseite der Membran einen niedrigeren Partialdruck der abzutrennenden Bestandteile aufrecht erhält, als in dem revers-micellaren System bzw. in der W/O-Mikroemulsion, und daß man die Bestandteile durch Pervaporation, durch Pertraktion, oder durch Membrandestillation aus der orga­ nischen bzw. der hydrophoben Phase des revers-micellaren Systems oder der W/O-Mikroemulsion selektiv abtrennt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich geworden, eine große Anzahl von Produkten, die in revers-micellaren Systemen synthetisiert werden können, mit Hilfe von ent­ sprechenden Permeationsmembranen einfach, schnell, kosten­ günstig und ohne großen technischen Aufwand abzutrennen.

Ferner ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erst möglich geworden, revers-micellare Systeme bzw. W/O-Mikroemulsionen in einem kontinuierlichen und kosten­ günstigen Produktionsprozeß einzusetzen, um somit die enormen Vorteile, die revers-micellare Systeme bzw. W/O-Mikroemulsionen bieten können, auch wirklich wirt­ schaftlich zu nutzen. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den großen Vorteil einer 100%igen Selektivität, da eine Reihe von geeigneten Permeationsmembranen zur Verfügung steht. Die Micellen mit ihrem Inhalt sowie die Tenside werden zurückgehalten, während die abzutrennenden Bestand­ teile durch die Membran permeieren. Besonders große Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren, wenn als Katalysa­ toren Biokatalysatoren, wie z. B. Enzyme oder Mikroorganis­ men, eingesetzt werden, da diese sehr empfindlich auf eine Änderung ihrer Umgebungsbedingungen reagieren, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aber diese Bedingungen erhalten bleiben.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß bei der selek­ tiven Abtrennung von Bestandteilen aus der hydrophoben Phase von revers-micellaren Systemen bzw. von W/O-Mikroemulsionen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das Zweiphasen-System nicht zerstört wird, die reversen Micellen bzw. die hydro­ philen Tröpfchen mit ihrem Inhalt werden erhalten, der (Bio)Katalysator wird nicht geschädigt, sondern bleibt funktionstüchtig, und mit dem revers-micellaren System bzw. mit der W/O-Mikroemulsion kann ein kontinuierlicher Produk­ tionsprozeß aufrechterhalten werden. Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Produktstrom ist nicht mit Tensiden oder mit reversen Micellen verunreinigt, denn die meisten Tenside können Permeationsmembranen nicht passieren. Bei der Pervaporation und der Membrandestillation können diese Tenside auch nicht in die Gasphase übergehen, so daß die Pervaporation und die Membrandestillation eine quantitative Rückhaltung für diese Tenside zeigen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich geworden, hohe Rückhaltungen für das Tensid und hohe Selektivitäten für den abzutrennenden Bestandteil aus dem revers-micellaren System zu erzielen, so daß reverse Micellen als kontinuierliches Reaktionsmedium genutzt werden können und das Produkt aus dem Reaktionsraum in hoher Reinheit gewonnen werden kann.

Bei geeigneter Kombination von Lösungsmittel und Membran wird auch die Permeation des organischen Lösungsmittels durch die Membran verhindert bzw. behindert, während das abzutrennende Produkt die Membran permeieren kann. Bei der Membrandestillation kann zwar das organische Lösungsmittel die Membran durchdringen, jedoch aufgrund seines hohen Siedepunktes nicht in die Gasphase übergehen, und so wird es auch nicht bzw. nur in geringen Mengen aus dem Reaktionsraum abtransportiert.

Ganze Micellen können die Membran nicht passieren, während geringe Mengen Wasser durch die Membran bei nicht vollstän­ diger Rückhaltung für Wasser durchaus in den Permeatstrom gelangen können. Um konstante Reaktionsbedingungen im Reaktionsraum aufrecht zu erhalten, müssen die Konzentrati­ onen von Wasser und eventuell anderen, den Reaktionsraum verlassenden Substanzen im Reaktionsraum gemessen werden, und diese Substanzen müssen nachdosiert oder rückgeführt werden.

Da die Diffusion der in den Micellen bzw. in den Tröpfchen produzierten Stoffe in die organische bzw. hydrophobe Phase des revers-micellaren Systems von der Konzentration dieser Stoffe in der organischen bzw. hydrophoben Phase abhängig ist, wird durch die kontinuierliche Entfernung dieser Stoffe aus dem System deren Gleichgewicht zwischen der hydrophilen Phase der Micelle und der hydrophoben Phase des Systems ständig in Richtung erneuter Diffusion aus der Micelle verschoben.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind prinzipiell 3 Verfahrensvarianten möglich, um die abzutren­ nenden Bestandteile aus dem revers-micellaren System oder aus der W/O-Mikroemulsion zu entfernen.
1. Mittels Pervaporation
2. Mittels Pertraktion
3. Mittels Membrandestillation.

Es ist aber auch möglich, diese drei Varianten zu kombinie­ ren und das revers-micellare System bzw. die W/O-Mikroemulsion nacheinander einer der drei o.g. Verfahren zu unterziehen.

Der Vorteil des Produktaustrages mittels Pervaporation gegenüber direkter Vakuumdestillation liegt in den gegenüber dem Flüssig-Dampf-Gleichgewicht höheren erreichbaren Trenn­ faktoren. Auch über den azeotropen Punkt hinaus kann das Produkt aufgereinigt abgezogen werden.

Die Pertraktion ist prinzipiell ähnlich zur Pervaporation oder Membrandestillation. Dabei wird die Selektivität des Prozesses zum einen durch die Diffusionskoeffizienten der Komponenten in der Membran bestimmt, zum anderen herrscht auf der Permeatseite ein Extraktionsgleichgewicht zwischen einer flüssigen Extraktphase und der Membran.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß bei der Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur die Permeation des Tensids verhindert und das Produkt selektiv abgetrennt wird, sondern es wird auch der Kontakt des Reaktionsmediums mit der Gasphase durch die Membran verhin­ dert, so daß keine Grenzflächeneffekte (Schaumbildung, Desaktivierung des Katalysators) an einer Gas-Flüssig-Pha­ sengrenze auftreten können.

Werden die abzutrennenden Bestandteile durch Pervaporation oder durch Pertraktion aus der organischen bzw. hydrophoben Phase entfernt, so wird hierbei eine homogene Permeations­ membran eingesetzt, und das Permeat ist im Falle der Perva­ poration gasförmig und im Falle der Pertraktion flüssig. Wird eine Membrandestillation durchgeführt, so wird hierfür eine Porenmembran eingesetzt und das Permeat ist gasförmig. Die geeignete Wahl des Permeationsverfahrens und des Mem­ branmaterials sowie des Extraktionsmittels im Falle der Pertraktion hängt dabei von den Erfordernissen des jeweili­ gen Anwendungsfalles ab und kann vom Fachmann ohne größere Schwierigkeiten realisiert werden. Solche zu berücksichti­ gende Erfordernisse sind z. B. die chemische Zusammensetzung, die Permeationseigenschaften und das Siedeverhalten der organischen bzw. hydrophoben Phase, der Tenside und der abzutrennenden Bestandteile, sowie die Temperaturbeständig­ keit des (Bio)Katalysators.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ohne Einschränkung der Allgemeinheit auf revers-micelleare Systeme bzw. auf W/O- Mikroemulsionen anwendbar, bei denen sich in der hydrophilen Phase Enzyme, Mikroorganismen oder andere Katalysatoren be­ finden. Solche Biokatalysatoren sind z. B. Phospholipase, β-Hydroxysteroiddehydrogenase, α-Chymotrypsin, Lipase, Tryp­ sin, α-Amylase, Cytochrom-C, Hydrogenase, Lipoamid, Chole­ steroloxidase, Ribonuclease, Lysozym, Papain, Alkoholde­ hydrogenase oder Lipoxygenase. Geeignete Mikroorganismen sind z. B. E. coli oder Acinetobacter calcoaceticus.

Beispiele für geeignete Mischungen von Tensiden und Lösungsmitteln, die revers-micellare Systeme bilden, sind Bis-(2- Ethylhexyl)natriumsulfosuccinat/n-Octan/Wasser, Bis-(2- Ethylhexyl)natriumsulfosuccinat/Heptan/Wasser, Bis-(2-Ethyl­ hexyl)natriumsulfosuccinat/Isooctan/Wasser, Cetyltrimethyl­ ammoniumbromid/Chloroform/n-Octan/Wasser, Cetyltrimethylam­ moniumbromid/Isooctan/n-Hexanol/Wasser, Methyltrioctylammo­ niumchlorid/Cyclohexan/Wasser, Brÿ 56 (Polyethylenglykoldo­ decylether)/Cyclohexan/n-Hexanol/Wasser, Triton-X-100 (Al­ kylphenylpolyethylenglykol)/Cyclohexan/n-Hexanol/Wasser, Tetraethylenglycol-dodecylether/Isooctan/Wasser und Phospha­ tidylcholin/Methanol/Diethylether/Wasser.

Handelt es sich bei den Katalysatoren um "normale", d. h. synthetische Katalysatoren, so ist das erfindungsgemäße Verfahren auf die aus der Phasen-Transfer-Katalyse bekannte Systeme anwendbar.

Geeignete Membranen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen z. B. aus Polydimethylsiloxan (PDMS) (z. B. für die Pervaporation) oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) (z. B. für die Membrandestillation). Diese Membranmaterialien können z. B. bei der Verwendung der o.g. Lösungsmittels eingesetzt werden. In Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren der Membranen weisen diese unterschiedliche Strukturen (Porenmembran oder homogene Membran) auf, und sind somit für unterschiedliche Permeationsverfahren einsetzbar. So sind z. B. kommerziell verfügbare PDMS-Membranen homogen und somit für den Einsatz bei der Pervaporation oder der Pertraktion geeignet, nicht jedoch für die Membrandestillation.

In Abhängigkeit von den Eigenschaften der abzutrennenden Bestandteile kommen hydrophile oder hydrophobe Membranen zum Einsatz. Hydrophobe Produkte werden durch hydrophobe Mem­ branen und hydrophile durch hydrophile Membranen abgetrennt. Beipiele für hydrophobe Produkte sind 6-Methyl-5-hepten-2- ol, 1-Phenylethanol oder 4-Phenyl-2-butanol. Beispiele für hydrophile Produkte sind Isopropanol oder Aceton. In der Regel sind die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gewünschten Produkte hydrophob, so daß hydrophile Membranen nur am Rande eingesetzt werden, um z. B. hydrophile Nebenprodukte abzutrennen.

Sollen selektiv mehrere Produkte abgetrennt werden, läßt man das revers-micellare System bzw. die W/O-Mikroemulsion nacheinander an mehreren, jeweils für die unterschiedlichen Produkte selektiven Membranen vorbeiströmen. Dabei können hydrophile oder hydrophobe Porenmembranen oder hydrophile oder hydrophobe homogene Membranen eingesetzt werden, oder Kombinationen von diesen. Bevorzugt sind Kompositmembranen mit hydrophober und hydrophiler Struktur.

Wird als Abtrennungsverfahren die Pervaporation eingesetzt, so wird bevorzugt, in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwen­ dungsfall, eine Vakuum-, Spülgas- oder Thermopervaporation angewendet. Die Wahl der geeigneten Variante hängt dabei von den Kosten und von der Flüchtigkeit der abzutrennenden Bestandteile ab. Bei schwerflüchtigen Bestandteilen ist die Anwendung der Vakuumpervaporation sehr teuer, da der Druck auf der Permeatseite sehr niedrig gehalten werden muß. In diesem Fall wäre eine Spülgaspervaporation vorzuziehen. Handelt es sich um leichtflüchtige Bestandteile, so ist als Abtrennungsmethode die Pervaporation oder die Membrande­ stillation zu wählen, wobei die Pervaporation der Membran­ destillation vorzuziehen ist, da diese in den meisten Fällen höhere Selektivitäten aufweist. Wenn jedoch das Flüssig- Gas-Gleichgewicht günstig liegt, dann ist die Membrande­ stillation die Methode der Wahl. Dies ist z. B. der Fall, wenn aus einer schwerflüchtigen organischen bzw. hydrophoben Phase ein leichtflüchtiges Produkt abgetrennt werden soll.

Anhand der Fig. 1 bis 3 wird das erfindungsgemäße Ver­ fahren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Produktabtrennung durch Pervaporation, speziell durch Vakuumpervaporation. Das revers-micellare System bzw. die W/O-Mikroemulsion befindet sich in einem Enzymreaktor und wird zur Produktabtrennung über eine Umwälzpumpe einer Pervaporationseinheit, die eine oder mehrere Pervaporationsmembranen enthält, zugeführt. Das Retentat wird zurück in den Enzymreaktor geleitet, das Permeat, welches die gewünschten Produkte enthält, wird durch einen Kühler der weiteren Aufarbeitung zugeführt. Die Vakuumpumpe sorgt für das erforderliche Partialdruckgefälle der abzu­ trennenden Produkte.

Fig. 2 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Produktabtrennung durch Membrandestillation. Das revers-micellare System bzw. die W/O-Mikroemulsion befindet sich in einem Enzymreaktor und wird zur Produktabtrennung über eine Umwälzpumpe einer Membrandestillationseinheit, die eine oder mehrere Membranen enthält, zugeführt. Das Retentat wird zurück in den Enzymreaktor geleitet, das Permeat, welches die gewünschten Produkte enthält, wird durch einen Kühler der weiteren Aufarbeitung zugeführt. Die Vakuumpumpe sorgt für das erforderliche Partialdruckgefälle der abzu­ trennenden Produkte.

Fig. 3 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Produktabtrennung durch Pertraktion. Das revers- micellare System bzw. die W/O-Mikroemulsion befindet sich in einem Enzymreaktor und wird zur Produktabtrennung über eine Umwälzpumpe einer Pertraktionseinheit, die eine oder mehrere Pertraktionsmembranen enthält, zugeführt. Das Retentat wird zurück in den Enzymreaktor geleitet, das Permeat, welches die gewünschten Produkte enthält, wird der weiteren Aufar­ beitung zugeführt. Auf der Permeatseite der Pertraktionseinheit wird laufend frisches Extraktionsmittel vorbeigeführt.

Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens enthalten ein oder mehrere Membranmodule, an dessen einer Seite das revers-micellare System bzw. die Mikroemul­ sion vorbeiströmt, auf dessen Permeatseite ein niedrigerer Partialdruck der abzutrennenden Bestandteile als in dem revers-micellaren System bzw. in der Mikroemulsion aufrecht erhalten wird, und dessen Membran für die abzutrennenden Bestandteile durchlässig und für Tenside und die hydrophilen Tröpfchen undurchlässig ist. Werden die abzutrennenden Produkte durch Pervaporation, durch Pertraktion oder durch Membrandestillation abgetrennt, so handelt es sich bei den Membranen der Vorrichtung um Pervaporations- oder Pertraktionsmembranen oder um Membranen für die Membrande­ stillation. Im Falle der Pervaporations- oder Pertraktionsmembranen kommen dabei hydrophile oder hydro­ phobe, homogene Membranen zur Anwendung, im Falle der Membrandestillation hydrophile oder hydrophobe Porenmem­ branen. Geeignete Membranen bestehen z. B. aus PDMS (Polydimethylsiloxan), aus PTFE (Polytetrafluorethylen) oder aus PVA (Polyvinylalkohol). Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält eine oder mehrere Kompositmembranen. Besonders bevorzugt sind dabei Kompositmembranen mit hydrophober und hydrophiler Struktur.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Beispielen näher erläutert. In allen Beispielen wird ein Verhältnis von Wasser- zu Tensidkonzentration von 20 : 1 ge­ wählt, weil die untersuchten Enzyme für diesen Wert eine gute Aktivität zeigen. Analog kann das erfindungsgemäße Verfahren aber auch auf geringere oder höhere Verhältnisse von Wasser- zu Tensidkonzentration angewendet werden. Welches Konzentrationsverhältnis im Einzelfall das geeignete ist, hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab, und kann vom Fachmann ohne größere Schwierigkeiten ermittelt werden.

Beispiel 1: Enzymatisch katalysierte Reaktion in reversen Micellen mit Produktabtrennung durch Pervaporation 1. Herstellung des revers-micellaren Reaktionsmediums

Zu 7.7 ml einer 65 mM AOT (Natrium-bis(2-ethylhexyl)-sulfo­ succinat)-Lösung in n-Hexan werden 0.3 ml 6-Methyl-5-hepten- 2-on und 2 ml Isopropanol gegeben. zu dieser Lösung werden 0.1 ml 50 mM Tris/HCl-Puffer (pH 7.5) mit 0.6 mM NADP⁺ gege­ ben und die Reaktion durch Zugabe von 0.08 ml 50 mM Tris/HCl- Puffer (pH 7.5) mit 10 U TBADH (Alkoholdehydrogenase aus Themoanaerobium brockii) gestartet. Bei der Reaktion ent­ stehen (S)-(+)-6-Methyl-5-hepten-2-ol und Aceton als Reak­ tionsprodukte.

2. Produktabtrennung über Pervaporation

Die entstehenden Produkte werden durch Pervaporation gemäß Fig. 1. mit Hilfe einer Membran aus Polydimethylsiloxan (PDMS) abgetrennt, ohne daß Tensid im Produktstrom vorliegt. Die Produktabtrennung kann durch Vakuum-, durch Thermo- oder durch Spülgaspervaporation abgetrennt werden, wobei die treibende Kraft durch eine Differenz im chemischen Potential entsteht.

Beispiel 2: Enzymatisch katalysierte Reaktion in reversen Micellen mit Produktabtrennung über Membrandestillation 1. Herstellung des revers-micellaren Reaktionsmediums

Zu 7.7 ml einer 65 mM Tween-85 (Polyoxyethylensorbitantri­ oleat)-Lösung in Isopropylpalmitat werden 0.3 ml 6-Methyl-5- hepten-2-on und 2 ml Isopropanol gegeben. Zu dieser Lösung werden 0.1 ml 50 mM Tris/HCl-Puffer (pH 7.5) mit 0.6 mM NADP⁺ gegeben und die Reaktion durch Zugabe von 0.08 ml mm Tris/HCl-Puffer (pH 7.5) mit 10 U TBADH (Alkoholdehydro­ genase aus Themoanaerobium brockii) gestartet. Bei der Reak­ tion entstehen (S)-(+)-6-Methyl-5-hepten-2-ol und Aceton als Reaktionsprodukte.

2. Produktabtrennung über Membrandestillation

Die entstehenden Produkte werden durch Membrandestillation (Vakuum-Destillation) gemäß Fig. 2. mit Hilfe einer PTFE- Porenmembran (Porendurchmesser 0.2 µm) abgetrennt, ohne daß Tensid im Produktstrom vorliegt.

Beispiel 3: Enzymatisch katalysierte Reaktion in reversen Micellen mit Produktabtrennung über Pertraktion 1. Herstellung des revers-micellaren Reaktionsmediums

Zu 7.7 ml einer 65 mM CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromid)- Lösung in Isooctan werden 0.3 ml 2-Butanon und 2 ml Isopro­ panol zugegeben. Die Reaktion wird durch Zugabe von 0.1 ml einer 0.6 mM NADP⁺-Lösung und 0.08 ml einer TBADH-Lösung (10 U) in 50 mM Tris/HCl-Puffer (pH 7.5) gestartet. Als Produkte entstehen Aceton und (S)-2-Butanol.

2. Produktabtrennung über Pertraktion

Die Reaktionslösung wird gemäß Fig. 3. durch ein Membran- Modul geführt, in dem auf der Permeatseite Decan als Extrak­ tionsmittel geführt wird. Die Membran besteht aus einer ho­ mogenen Polyvinylalkohol (PVA)-Schicht.

Claims (9)

1. Verfahren zur selektiven Abtrennung von Bestandteilen aus der hydrophoben Phase von revers-micellaren Systemen oder von W/O-Mikroemulsionen, dadurch gekennzeichnet, daß man das revers-micellare System oder die Mikroemulsion auf der einen Seite einer für die abzutrennenden Bestandteile durchlässigen und für Tenside und die hydrophilen Tröpfchen undurchlässigen Membran vorbei strömen läßt, daß man auf der Permeatseite der Membran einen niedrigeren Partialdruck der abzutrennenden Bestandteile aufrecht erhält, als in dem re­ vers-micellaren System bzw. in der Mikroemulsion, und daß man die Bestandteile durch Pervaporation, durch Pertraktion oder durch Membrandestillation aus dem revers-micellaren System oder aus der Mikroemulsion selektiv abtrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das revers-micellare System oder die Mikroemulsion nach­ einander an mehreren, für unterschiedliche abzutrennende Be­ standteile selektiven Membranen vorbeiströmen läßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß man die Bestandteile durch Vakuum-, durch Spülgas- oder durch Thermopervaporation selektiv abtrennt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man hydrophile oder hydropho­ be Porenmembranen verwendet, oder hydrophile oder hydropho­ be, homogene Membranen, oder Kombinationen dieser Membranen.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man Kompositmembranen mit hydrophober und hydrophiler Struktur verwendet.

6. Vorrichtung zur selektiven Abtrennung von Bestandteilen aus der hydrophoben Phase von revers-micellaren Systemen oder von W/O-Mikroemulsionen, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Membranmodule, an dessen einer Seite das revers-mi­ cellare System bzw. die Mikroemulsion vorbeiströmt, auf des­ sen Permeatseite ein niedrigerer Partialdruck der abzutren­ nenden Bestandteile als in dem revers-micellaren System bzw. in der Mikroemulsion aufrecht erhalten wird, und dessen Mem­ bran für die abzutrennenden Bestandteile durchlässig und für Tenside und die hydrophilen Tröpfchen undurchlässig ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Pervaporations- oder Pertraktionsmembranen oder durch Membranen für die Membrandestillation.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch hydrophile oder hydrophobe Porenmembranen oder durch hydro­ phile oder hydrophobe, homogene, Membranen.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Kompositmembranen mit hydrophober und hydrophiler Struktur.