DE4116426C2 - Verfahren zur selektiven Abtrennung von Bestandteilen aus der hydrophoben Phase von revers-micellaren Systemen oder von W/O-Mikroemulsionen - Google Patents
Verfahren zur selektiven Abtrennung von Bestandteilen aus der hydrophoben Phase von revers-micellaren Systemen oder von W/O-MikroemulsionenInfo
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- C12M33/14—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus with filters, sieves or membranes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
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-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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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 Å) 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, so daß 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 Momomer 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,
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 Tröfpchen 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 2 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 Membrandestillation
Es ist aber auch möglich, diese zwei Varianten zu kombinie
ren und das revers-micellare System bzw. die
W/O-Mikroemulsion nacheinander einer der beiden 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.
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
aus der organischen bzw. hydrophoben
Phase entfernt, so wird hierbei eine homogene Permeations
membran eingesetzt, und das Permeat ist gasförmig.
Wird eine Membrandestillation durchgeführt, so wird hierfür
eine Porenmembran eingesetzt und das Permeat ist gasförmig.
Die geeignete Wahl des Permeationsverfahrens 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 Lösungs
mitteln, 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-l00 (Al
kylphenylpolyethylenglykol) /Cyclohexan/n-Hexanol/Wasser,
Tetraethylenglycol-dodecylether/Isooctan/Wasser und Phospha
tidylchol in/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
Verfahren 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. Lösungsmittel
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 nicht jedoch für die Membrandestillation.
In Abhängigkeit von den Eigenschaften der abzutrennenden
Bestandteile kommen hydrophobe Membranen zum
Einsatz. Hydrophobe Produkte werden durch hydrophobe Mem
branen abgetrennt.
Beispiele für hydrophobe Produkte sind 6-Methyl-5-hepten-2-
ol, 1-Phenylethanol oder 4-Phenyl-2-butanol.
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.
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, oder durch
Membrandestillation abgetrennt, so handelt es sich bei den
Membranen der Vorrichtung um Pervaporationsmembrane
oder um Membranen für die Membrande
stillation. Im Falle der Pervaporationsmembrane
kommen dabei hydro
phobe, homogene Membranen zur Anwendung, im Falle der
Membrandestillation 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.
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.
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.
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 50
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.
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.
Claims (9)
1. Verfahren zur selektiven Abtrennung von Bestand
teilen aus der hydrophoben Phase von revers-mi
cellaren Systemen oder von W/O-Mikroemulsionen,
gekennzeichnet durch die Kombina
tion folgender Merkmale:
- a) Transport des zu trennenden Systems vom Reaktor zu einer Pervaporations- oder Mem bran-Destillationseinheit;
- b) Vorbeiströmen des zu trennenden Systems auf der einen Seite einer für die abzutrennen den Bestandteile durchlässigen und für die Tenside und die hydrophilen Tröpfchen un durchlässigen Membran, wobei auf der Perme atseite der Membran ein niedrigerer Parti aldruck der abzutrennenden Bestandteile als in dem Emulsionssystem aufrechterhalten wird;
- c) Abtrennen der Bestandteile aus der hydro phoben Phase durch Pervaporation oder durch Membran-Destillation;
- d) Rückführung des Retentats in den Reaktor.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß man das revers-mi
cellare System oder die Mikroemulsion nachein
ander an mehreren, für unterschiedliche abzu
trennende Bestandteile, selektiven Membranen
vorbeiströmen läßt;
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß man die Bestandteile
durch Vakuum-, durch Spülgas- oder durch Thermo
pervaporation selektiv abtrennt;
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß man hydrophobe Po
renmembranen verwendet, oder hydrophobe, homoge
ne Membranen, oder Kombinationen dieser Membra
nen;
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß man Kompositmembra
nen mit hydrophober und hydrophiler Struktur
verwendet.
6. Vorrichtung zur selektiven Abtrennung von Be
standteilen aus der hydrophoben Phase von re
vers-micellaren Systemen oder von W/O-Mikro
emulsionen, gekennzeichnet durch ein oder mehre
re Membranmodule, an deren einer Seite das re
vers-micellare System bzw. die Mikroemulsion
vorbeiströmt, auf dessen Permeatseite ein
niedrigerer Partialdruck der abzutrennenden Be
standteile 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;
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch eine oder mehrere Pervapo
rationsmembranen oder durch Membranen für die
Membrandestillation;
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
gekennzeichnet durch hydrophobe Porenmembranen
oder durch hydrophobe, homogene Membranen;
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 6 bis 8,
gekennzeichnet durch eine oder mehrere Komposit
membranen mit hydrophober und hydrophiler Struk
tur.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4116426A DE4116426C2 (de) | 1991-05-18 | 1991-05-18 | Verfahren zur selektiven Abtrennung von Bestandteilen aus der hydrophoben Phase von revers-micellaren Systemen oder von W/O-Mikroemulsionen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4116426A DE4116426C2 (de) | 1991-05-18 | 1991-05-18 | Verfahren zur selektiven Abtrennung von Bestandteilen aus der hydrophoben Phase von revers-micellaren Systemen oder von W/O-Mikroemulsionen |
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Publication Number | Publication Date |
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DE4116426A1 DE4116426A1 (de) | 1992-11-19 |
DE4116426C2 true DE4116426C2 (de) | 1996-02-08 |
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ID=6432028
Family Applications (1)
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DE4116426A Expired - Fee Related DE4116426C2 (de) | 1991-05-18 | 1991-05-18 | Verfahren zur selektiven Abtrennung von Bestandteilen aus der hydrophoben Phase von revers-micellaren Systemen oder von W/O-Mikroemulsionen |
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Country | Link |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1991
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DE10060602A1 (de) * | 2000-12-05 | 2002-06-13 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur enzymatischen Co-Faktor-Regenerierung |
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DE4116426A1 (de) | 1992-11-19 |
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