Verfahren zur Aufarbeitung von koaleszenzgehemmten Emulsionen aus Ganzzell-Biotransformationen mit komprimierten oder überkritischen Gasen, insbesondere mit Kohlendioxid
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufarbeitung von koaleszenzgehemmten Emulsionen aus Ganzzell-Biotransformationen mit komprimierten oder überkritischen Gasen, insbesondere mit Kohlendioxid gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Für die biokatalytische Umsetzung von apolaren organischen Molekülen wird häufig ein wässrig-organisches Zweiphasensystem verwendet [1-5]. Dieses System erlaubt den Einsatz und die Akkumulation von hohen Konzentrationen schlecht wasserlöslicher Substrate und Produkte, wobei die organische Phase, bestehend aus einem apolaren, nicht toxischen Lösungsmittel oder einem Gemisch mehrerer Lösungsmittel als Substratreservoir und/oder als Produktsenke dient. Zudem schützt die organische Phase vor toxischen Effekten von Substraten und Produkten. Des Weiteren kann die charakteristische Verteilung von Substraten und Produkten in den beiden Phasen dazu genutzt werden, kinetische Produktinhibition zu verhindern, Gleichgewichtsreaktionen in die gewünschte Richtung zu lenken, die Enantioselektivität zu erhöhen und Mehrschrittreaktionen zu kontrollieren.
Typischerweise werden solche Zweiphasensysteme stark emulgiert, um hohe Mas- sentransferraten zu erreichen. Gefördert wird die Bildung von stabilen Emulsionen auch durch hohe Biokatalysator-Konzentrationen, speziell wenn ganze mikrobielle Zellen eingesetzt werden. Hierbei treten hohe Konzentrationen makromolekularer oberflächenaktiver Substanzen (Lipide, Proteine, Polysaccharide, Biosurfactants, Zelltrümmer) auf [6-9].
Da bei zweiphasigen Bioprozessen neben der Produktisolation aus ökonomischen und ökologischen Gründen auch das Lösungsmittelrecycling essentiell ist, müssen die zwei Phasen nach der Biotransformation voneinander getrennt werden. Diese
Phasentrennung hat sich bei stabilen koaleszenzgehemmten Emulsionen, wie sie beim Einsatz von ganzen mikrobiellen Zellen auftreten, als schwierig erwiesen. Verschiedene Methoden zur Phasentrennung wie Zentrifugation, Membranfiltration, FiI- terkoaleszenz, Zugabe von Deemulgatoren oder thermische Verfahren lieferten un- befriedigende Resultate oder waren apparativ sowie zeitlich sehr aufwendig [7]. Die aufwendige Phasentrennung gilt als eine Hauptlimitation für die industrielle Implementierung von zweiphasigen Bioprozessen mit ihrem großen ökonomischen wie auch ökologischen Potenzial. Im Bereich der Phasentrennung bei zweiphasigen Ganzzeilbiotransformationen besteht also Innovationsbedarf.
Typischerweise werden die Systeme aus der Biotransformation durch Zentrifugation zunächst grob getrennt. Anschließend werden mehrere Filtrations- und (UIt- ra)zentrifugationsschritte durchgeführt, um eine hinreichende Trennung zu erreichen. Die so sehr aufwändig gewonnene organische Phase wird anschließend einer destil- lativen oder extraktiven Aufarbeitung unterzogen, um das Wertprodukt abzutrennen (Dabei kann jedoch keine hinreichende Phasentrennung erreicht werden. Daher ist es nicht möglich, die wertprodukthaltige organische Phase vollständig von der wäss- rigen Phase zu trennen, was die weitere Aufarbeitung erheblich erschwert).
Bei anderen Trennverfahren wird versucht, nach einer groben mechanischen Abtrennung von anderen Bestandteilen die Emulsion destillativ aufzureinigen, wobei Probleme durch Fouling und Zweiphasigkeiten in der Kolonne auftreten. Bei einem enzymatischen Verfahren wird die Emulsion durch Einsatz von Hydrolasen mit guten Ergebnissen getrennt. Bis auf das letztgenannte Verfahren sind alle bisherigen Verfahren nicht in der Lage, eine definierte Phasentrennung zu erzielen. Eine vollständige Abtrennung sowohl der Zellbestandteile, als auch der wässrigen Phase von der organischen Phase ist bisher nicht möglich. Die Abtrennung der Zellmasse ist dabei von großer Bedeutung, da sie in nachfolgenden Prozessschritten zu Verkrustungen oder Verstopfungen führen kann. Mit den geschilderten alternativen Lösungsansätzen kann des Weiteren keine dauerhafte Trennung der Phasen erreicht werden. Nachteilig bei den bisherigen Verfahren ist weiterhin neben der hohen Anzahl an Aufreinigungsschritten der ggf. notwendige Einsatz eines zur Extraktion verwendeten Lösungsmittels, das anschließend wieder zurückgewonnen werden muss.
Die hier zur Diskussion stehende Trennung wässrig-organischer Zweiphasensysteme sei im weiteren beispielhaft an der Trennung koaleszenzgehemmter Emulsionen aus zweiphasigen Ganzzeilbiotransformationen beispielsweise in apolaren Lösungsmitteln beschrieben. Das hierbei nach erfolgter Biotransformation vorliegende Reaktionsgemisch trennt sich nicht spontan und liegt nach längerem Stehenlassen im Wesentlichen wie in Figur 1 dargestellt vor. Das Gemisch besteht optisch aus drei Phasen, wobei eine milchige organisch/wässrige Emulsion die obere Phase (I) bildet, die neben dem organischen Lösungsmittel das Edukt, Nebenprodukte und das Produkt enthält. Des Weiteren enthält diese Emulsion auch gelöste Bestandteile und oberflächenaktive Stoffe (Salze, Nährstoffe, Lipide, Proteine, Polysaccharide, Biosur- factants). Die zweite optisch identifizierbare Phase (II) ist eine wässrige Phase, in der sich die zur Kultivierung notwendigen Nährstoffe (die teilweise auch noch in der E- mulsion vorhanden sind) befinden und aus welcher sich die Zellen/Biomasse (III) in einer dritten Phase absetzen.
Die Komplexität des vorliegenden Reaktionsgemischs wird noch deutlicher, wenn man versucht, das Zweiphasensystem durch konventionelle Verfahren wie Zentrifu- gation zu trennen. So erhält man auch nach langem Zentrifugieren das in Figur 2 dargestellte Erscheinungsbild. Nach längerer Zentrifugation des Gemisches aus Figur 1 ist der Einfluss der in der Emulsion vorliegenden makromolekularen oberflä- chenaktiven Substanzen (Lipide, Proteine, Polysaccharide, Biosurfactants, Zelltrümmer) deutlich erkennbar. Während sich die in der wässrigen Phase enthaltenen Zellen am Boden des Gefäßes absetzen (IV), und die wässrige Phase (III) eine scharfe obere Phasengrenzfläche aufweist, kann in der Emulsion (Phase I in Figur 1 ) nur eine unzureichende Trennung in eine organische Phase (I) und eine Inter- bzw. Emulsionsphase (II) beobachtet werden.
Es sind verschiedene Anwendungsfälle bekannt, bei denen eine Begasung einer Emulsion aus Öl und Wasser mittels CO2 zur Trennung der beiden Bestandteile Öl und Wasser verwendet wurde. So ist etwa aus der DE 40 28 904 C1 oder der DE 197 54 756 C1 jeweils ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem sog. Kühlschmier- mittel zur Kühlung maschineller Bearbeitungsprozesse nach dem Gebrauch auf diese Weise aufbereitet werden. Derartige Emulsionen sind jedoch sehr einfach zu trennen, da es sich hierbei um nur relativ instabile einfache Emulsionen aus zwei sich
recht unterschiedlich verhaltenden Stoffen handelt und in der Regel keine die Emul- gation stabilisierenden Bestandteile biochemischer Natur enthalten sind.
Auch in petrochemischen Prozessen treten vielfach „Öl in Wasser"-Emulsionen [10, 11] auf, die beispielhaft etwa auch aus der US 6 566 410 B1 bekannt sind. Ähnliche Einsatzgebiete sind etwa aus der DE 101 14 920 A1 zur Extraktion von organischen Monomeren bekannt.
Es sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen mittels Kohlendioxid Extraktionen von Biomaterialien vorgenommen werden, die in einphasigen Substanzgemischen vorliegen (und Verunreinigungen aufweisen). Bei derartigen Verfahren dient das Kohlendioxid jedoch als Träger chemischer Substanzen, die die entsprechende Extraktion ausführen und diese Verfahren können daher nicht mit der Entmischung mehrphasiger Substanzgemische verglichen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Bestandteile von koaleszenzgehemmten Emulsionen aus Ganzzell-Biotrans- formationen derart voneinander getrennt werden können, dass sich eine saubere und hinsichtlich des Mengendurchsatzes ergiebige Trennung in kurzer Zeit durchführen lässt.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbeg- riffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Aufarbeitung einer koaleszenzgehemmten Emulsion aufweisend Bestandteile aus Ganzzell-Biotransformationen wie Zellen, lösliche Zellbestandteile, organische Lösungsmittel und/oder Wasser. Hierbei wird in erfindungsgemäßer Weise ein derartiges Verfahren dadurch weiter entwickelt, dass die nach der Biotransformation stabile, koaleszenzgehemmte Emulsion in einem Behälter mit mindestens einem komprimierten oder überkritischen Gas im Überschuss versetzt und bei erhöhtem Druck und erhöhten Temperaturen für eine vorgebbare Zeitdauer gemischt wird, wonach sich die wässrige und die organische Phase der Emulsion voneinander trennen und sich die Zellen und Zellbestandteile
sowohl der wässrigen als auch der organischen Phase im Bereich von deren Grenzflächen oder Phasengrenzflächen abscheiden und anschließend separiert werden. Nach dem Zusetzen des komprimierten oder überkritischen Gases wie etwa Kohlendioxid vorzugsweise im Überschuss (z.B. von etwa 3 Massenanteilen komprimiertem Kohlendioxid je Massenanteil Emulsion) und vorzugsweise unter einem Druck von z.B. etwa 115 bar und bei einer Temperatur von z.B. etwa 45°C wird die Emulsion für vorzugsweise 2 Minuten intensiv mit dem komprimierten oder überkritischen Gas gemischt. Je höher die verwendete Temperatur hier gewählt wird, umso höher sollte auch der Druck gewählt werden. Nach dem Abstellen des Mischers ist anschließend eine scharfe Trennung der wässrigen und organischen Phase zu beobachten, wobei sich Zellbestandteile an den Grenzflächen der Phasen (etwa auch an einer Grenzfläche zu einem Behälter oder dgl.) sowohl am unteren Ende der wässrigen Phase und der organischen Phase abscheiden. Diese Zellbestandteile können nun einfach abgetrennt werden, da sie im Gegensatz zur Ursprungsemulsion schneller sedimentie- ren. Auch nach der Druckentspannung trennen sich die Phasen selbst nach wiederholter Durchmischung wieder schnell voneinander. Die wertprodukthaltige, organische Phase kann anschließend effizient, zum Beispiel durch überkritische Extraktion, aufgearbeitet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet dabei ein enormes Potential, Emulsionen aus biokatalytischen Prozessen (wie z.B. Ganzzell- Biotransformationen unter Verwendung von Mikroorganismen als Katalysatoren) zu trennen und mit geringem apparativem Aufwand und kostengünstig aufzuarbeiten. Dabei kann durch Verwendung von komprimierten oder überkritischen Gasen, wie z.B. komprimiertem Kohlendioxid als Lösungsmittel eine hohe Effizienz in weiteren Verfahrensschritten erzielt werden. Die Wirkung des komprimierten oder überkriti- sehen Gases wie etwa des Kohlendioxids basiert dabei wohl vornehmlich auf einer rein physikalischen Wechselwirkung mit den Bestandteilen der Emulsion, die zu einer gezielten Entmischung der Phasen (und Komponenten) der Emulsion führt und damit das sonst schwer auftrennbare Gemisch der Phasen (und Bestandteile) überhaupt erst technisch sinnvoll separierbar macht. Das hier vorgeschlagene Verfahren zur Aufarbeitung von Emulsionen aus Ganzzell-Biotransformationen mit komprimierten oder überkritischen Gasen wie etwa komprimiertem Kohlendioxid liefert dadurch eine erhebliche Verbesserung bei der Aufreinigung der beschriebenen Reaktionsgemische. Schon nach kurzer Durchmischung (2 min) der Emulsion mit dem komp-
rimiθrten oder überkritischen Gas stellt sich das in Figur 3 dargestellte Phasenverhalten ein. Nach Einkomprimieren von z.B. Kohlendioxid in das Reaktionsgemisch ist nicht nur zu erkennen, dass sich die in der wässrigen Phase (IM) befindlichen Zellen (IV) am Boden des Gefäßes absetzen, sondern auch, dass sich die in der Inter-/ Emulsionsphase befindlichen Zellfragmente/ Makromoleküle (II) an der Phasengrenzfläche zwischen einer organischen Phase (I) und einer wässrigen Phase (III) sammeln. Dies geschieht nach Abschalten des Rührers innerhalb kürzester Zeit (typischerweise weniger als 2 Minuten). Das Volumenverhältnis von organischer zu wässriger Phase beträgt dabei vorteilhaft 1 : 1. Der durch die Aufarbeitung mit komp- rimierten oder überkritischen Gas wie etwa komprimiertem Kohlendioxid erhaltene Trennungszustand bleibt dabei auch nach Entspannung und Ausgasen des komprimierten oder überkritischen Gases (und erneuter Mischung) erhalten, so dass eine nachfolgende Separation sowohl bei Atmosphärendruck wie auch unter erhöhtem Druck stattfinden kann. Aus Gründen der Energieeffizienz kann es hier jedoch sinn- voll sein, eine weitere Trennung unter erhöhtem Druck vorzuziehen. Dies begründet sich vor allem daraus, dass neben konventionellen Trennverfahren zur Aufreinigung des Wertproduktes aus der organischen Phase auch eine Extraktion mit komprimiertem Kohlendioxid in Frage kommt.
Durch die Verwendung komprimierter oder überkritischer Gase kann darüber hinaus erreicht werden, dass je nach Zusammensetzung und Eigenschaften der Emulsion ein passendes komprimiertes oder überkritisches Gas oder etwa auch eine Mehrzahl derartiger Gase gleichzeitig in die Emulsion eingeleitet werden, um so die Trennung der Emulsion in die verschiedenen Phase zu ermöglichen. Das Verfahren ist daher grundsätzlich mit allen komprimierten oder überkritischen Gasen durchführbar, wobei besonders die günstig die Durchführung mit Kohlendioxid ist. Insoweit im weiteren hinsichtlich der Beschreibung des Verfahrens von dem komprimierten oder überkritischen Gas als Kohlendioxid gesprochen wird, ist dies immer als beispielhafte Abkürzung für den Terminus komprimiertes oder überkritisches Gas anzusehen und in dem Sinne zu interpretieren, dass neben oder alternativ zu dem ausdrücklich er- wähnten Kohlendioxid auch andere komprimierte oder überkritische Gase, ob einzeln oder als Gemische, gemäß den hier beschriebenen Angaben verwendet werden können.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn als komprimiertes oder überkritisches Gas ein Gas verwendet wird, dessen kritische Daten ähnlich den kritischen Daten von Kohlendioxid ist. Da die Lösbarkeit von Kohlendioxid in Emulsionen besonders vorteilhaft für die Trennung der Emulsion ist, kann auch bei Verwendung komprimierter oder über- kritischer Gase mit ähnlichen kritischen Daten und/oder Lösungseigenschaften erwartet werden, dass sich eine entsprechende Separation der Phasen der Emulsion herbeiführen läßt. Hierbei ist unter Ähnlichkeit der kritischen Daten und/oder Lösungseigenschaften zu verstehen, dass in der Emulsion ähnliche Wirkungen herbeigeführt werden können, wie dies auch bei Kohlendioxid festgestellt werden konnte. Als nicht beschränkende Aufzählung derartig geeigneter Gase können die in der Figur 11 angegebenen Gase angesehen werden, die industriell für Hochtemperaturprozesse verwendet werden und damit auch für das hier beschriebene Verfahren grundsätzlich geeignet sein können. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch andere komprimierte oder überkritische Gase verwendet werden können. Sinn- voll ist die Verwendung anderer Gase als Kohlendioxid gerade auch dann, wenn abhängig von der Zusammensetzung der Emulsion das jeweilige Gas in dieser Emulsion besondere Lösungseigenschaften entwickelt und damit die Separation vereinfacht oder verbessert.
Besonders bevorzugt ist es, wenn als komprimiertes oder überkritisches Gas Pro- pan, Butan oder dgl. Gase verwendet werden. Die kritischen Daten und Lösungseigenschaften derartiger niedrigwertiger Kohlenwasserstoffe ist recht ähnlich zu der von Kohlendioxid und damit auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Außerdem sind derartige Gase kostengünstig verfügbar und unweittechnisch weitgehend unproblematisch.
Denkbar ist es auch, dass anstelle eines einzelnen Gases ein Gemisch von zwei o- der mehr komprimierten oder überkritischen Gasen verwendet wird.
Weiterhin ist es denkbar, dass bei Verwendung von einem komprimierten oder überkritischen Gas mit schlechterer Lösungseigenschaft als Kohlendioxid in der Emulsion das Gas unter erhöhtem Druck in die Emulsion eingebracht und/oder die Emulsion separiert wird und damit die schlechteren Lösungseigenschaften zumindest teilweise kompensiert werden.
Von besonderem Vorteil ist es dass die Zellen und Zellbestandteile sich am unteren Ende sowohl der wässrigen als auch der organischen Phase abscheiden. Hierdurch lässt sich gerätetechnisch einfach ein gezieltes Abziehen dieser Bestandteile (Phasen und Feststoffe) der Emulsion erreichen und eine entsprechende Verschleppung nicht gewünschter Bestandteile in die einzelnen Fraktionen vermeiden. Insbesondere können diese getrennten Phasen einer weiteren Aufreinigung insbesondere zur Gewinnung einer in zumindest einer der Phasen enthaltenen Wertsubstanz unterzogen werden. Als Wertsubstanz ist dabei jede Substanz innerhalb der Emulsion anzusehen, die ein gewolltes Ergebnis des biokatalytischen Prozesses darstellt und für eine entsprechende Verwendung in üblicherweise technisch bedingten Mengen zur Verfügung gestellt werden soll.
Selbstverständlich ist es ebenfalls denkbar, dass aus der entmischten Emulsion auch die wässrige Phase mit den abgeschiedenen Zellen und Zellbestandteilen sowie die organische Phase mit den abgeschiedenen Zellen und Zellbestandteilen se- parat abgezogen und jeweils getrennt einer weiteren Aufreinigung etwa durch Verfahren der Sedimentation oder dgl. zur Gewinnung der Zellen oder Zellbestandteile unterzogen werden kann.
In einer ersten denkbaren Ausgestaltung kann die Emulsion in sog. Batchbetrieb in einem Behälter mit dem komprimierten oder überkritischen Gas gemischt werden, woraufhin die Phasen sich in dem gleichen Behälter nach dem Mischen trennen und eine in dem Behälter geschichtete Anordnung der einzelnen Phasen oder Bestandteile bilden, wonach die Phasen oder Bestandteile aus den einzelnen Schichten separat aus dem Behälter abgezogen werden. Hierdurch ist nur ein einziger Behälter zur Mischung der Emulsion mit dem komprimierten oder überkritischen Gas sowie zur Trennung der einzelnen Fraktionen erforderlich, wodurch der gerätetechnische Aufwand minimiert wird.
Für eine kontinuierliche Trennung ist es in einer anderen Ausgestaltung auch denkbar, dass die Emulsion in einem ersten Behälter mit dem komprimierten oder überkritischen Gas intensiv gemischt wird und die dadurch hergestellte homogene Mi- schung aus Emulsion und komprimierten oder überkritischen Gas in einen zweiten Behälter verbracht wird, in dem sich die Phasen, vorzugsweise bei langsamem Ruh-
ren, trennen und eine im zweiten Behälter geschichtete Anordnung der einzelnen Phasen oder Bestandteile bilden, wonach die Phasen oder Bestandteile aus den einzelnen Schichten separat aus dem zweiten Behälter abgezogen werden. Allerdings ist diese Lösung regelungstechnisch problematisch, da die Füllstände im zwei- ten Behälter und somit die Lage der Phasengrenzflächen konstant gehalten werden müssen.
In einer weiteren denkbaren Ausgestaltung zur Behebung dieses Problems wird die Emulsion in einem ersten Behälter mit dem komprimierten oder überkritischen Gas intensiv gemischt und die homogene Mischung aus Emulsion und komprimierten oder überkritischen Gas in einen zweiten Behälter verbracht, in dem sich die wässri- ge und die organische Phase, vorzugsweise bei langsamem Rühren, voneinander trennen, wonach die wässrige und die organische Phase separat aus dem zweiten Behälter in weitere Behälter abgezogen werden, in denen sich dann die Zellen und Zellbestandteile der wässrigen und der organischen Phase sowie das komprimierte oder überkritische Gas abtrennen lassen. Damit können die genannten Probleme der Prozesssteuerung verringert bzw. vermieden werden.
Denkbar ist es weiterhin, dass hierbei im ersten Behälter ein erhöhter Druck und eine erhöhte Temperatur herrschen und im zweiten Behälter die Trennung unter Umgebungsbedingungen abläuft. Je nach zu verarbeitender Emulsion kann es aber auch durchaus sinnvoll sein, wenn in beiden Behältern ein erhöhter Druck und eine erhöhte Temperatur herrschen.
Hinsichtlich der Einbindung der Trennung gemäß vorstehend geschildertem Verfahren in einen Gesamtablauf zur Gewinnung der einzelnen Fraktionen der Emulsion kann es sinnvoll sein, wenn nach der Biotransformation und vor der Trennung der Emulsion in die einzelnen Phasen eine direkte Aufarbeitung der Emulsion zur Gewinnung einer Wertsubstanz erfolgt. Hierdurch kann eine frühzeitige Abtrennung der Wertsubstanz herbeigeführt werden, die damit materialschonend erfolgt und wonach eine einfache Abtrennung der festen Bestandteile der Emulsion oder ein Recycling des Lösungsmittels erfolgen kann.
Denkbar ist es hierbei, dass die Aufarbeitung einen Extraktionsschritt zur Gewinnung einer Wertsubstanz, vorzugsweise aus der organischen Phase der Emulsion beinhal-
tet. Derartige Extraktionen, auch unter Verwendung z.B. überkritischen Kohlendioxids als komprimiertes oder überkritisches Gas sind grundsätzlich bekannt und dienen z.B. vielfach zur Gewinnung von einzelnen Substanzen aus Pflanzenbestandteilen wie etwa bei der Gewürzgewinnung. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung die Wertsubstanz direkt aus der Emulsion herausgetrennt und separat und/oder mit Verunreinigungen gemeinsam abgezogen werden. Sinnvoll ist es hierbei, wenn nur die extrahierte Wertsubstanz und die organischen Lösemittel sowie komprimiertes oder überkritisches Gas aus der Emulsion heraus getrennt und separat abgezogen werden, um in einer gezielten Aufarbeitung eine vollständige Abtrennung der Wert- Substanz unter Rückgewinnung von Lösemittel und komprimiertem oder überkritischem Gas herbeizuführen.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Restemulsion in einer der direkten Extraktion der Wertsubstanz nachfolgenden Trennung unter Zugabe von komprimiertem oder überkritischem Gas weiter aufgetrennt und die Bestandteile der Restemulsion ge- trennt abgezogen werden. Auch hierdurch können erneut benutzbare Substanzen gezielt wiedergewonnen werden.
Denkbar ist es insbesondere, dass die Trennung von Wertsubstanz und komprimiertem oder überkritischem Gas durch schelle Druckabsenkung der aus der Emulsion heraus getrennten Bestandteile vorgenommen wird. Hierdurch gast das komprimierte oder überkritische Gas aus der Mischung mit der Wertsubstanz aus und kann in sehr reiner Form und auf energetisch einfache Weise wiedergewonnen werden.
Denkbar ist es auch, dass nach der Trennung der Emulsion mittels komprimiertem oder überkritischem Gas wie etwa Kohlendioxid eine Aufarbeitung nur der Phase mit den darin vorhandenen Zellbestandteilen durch ein Trennverfahren erfolgt, bei dem die Wertsubstanz und/oder komprimiertes oder überkritisches Gas von dem Lösungsmittel getrennt werden.
Als Trennverfahren kann etwa eine Extraktion mittels komprimiertem oder überkritischem Gas durchgeführt werden. Hierzu kann das bereits bei der Zell-/ Emulsionstrennung verwendete komprimierte oder überkritische Gas auch zur Extraktion ver- wendet werden. Dieses lässt sich nach der erfolgten Extraktion durch Druckerniedrigung leicht wieder zurückgewinnen und erneut im Prozess einsetzen.
Alternativ zu Aufarbeitungen, die eine Extraktion enthalten, kann als Trennverfahren zur Trennung der Wertsubstanz aus einer organischen Phase ohne biogene Bestandteile auch mindestens ein Verfahrensschritt aus Chromatographie, Kristallisation, Destillation, Adsorption, Absorption, Membranverfahren oder Filtration oder Kom- binationen dieser Methoden verwendet werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
Figur 1 - typische Anordnung der Phasen in einem Reaktionsgemisch nach der Biotransformation und nach Settling,
Figur 2 - typische Anordnung der Phasen in einem Reaktionsgemisch gemäß
Figur 1 nach längerer Zentrifugation,
Figur 3 - typische Anordnung der Phasen in einem Reaktionsgemisch nach der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Figur 4 - eine erste bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung der koales- zenzgehemmten Emulsion,
Figur 5 - eine andere bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung der koa- leszenzgehemmten Emulsion in zwei Schritten,
Figur 6 - eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung der koa- leszenzgehemmten Emulsion,
Figur 7 - eine erste Möglichkeit zur Realisierung der Produktaufarbeitung durch Emulsionstrennung nach erfolgter Extraktion des Wertproduktes,
Figur 8 - eine andere Möglichkeit zur Realisierung der Produktaufarbeitung durch Emulsionstrennung vor einer Extraktion des Wertproduktes,
Figur 9 - eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der Produktaufarbeitung durch Emulsionstrennung vor einer Isolation des Wertproduktes durch einen/mehrere weitere(n) Trennschritt(e),
Figur 10 - Extraktionsverhalten der Emulsion für eine Beispiellösung,
Figur 11 - eine Tabelle mit kritischen Daten ausgewählter Fluide, die im industriellen Einsatz zur Verwendung bei Hochdruck-Verfahrensprozessen genutzt werden und auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können.
In den Figuren 4 bis 10 sind diverse Verfahrensabläufe aufgezeigt, mit denen eine aus einer Biotransformation entstandene Emulsion in ihre einzelnen Bestandteile separiert werden kann, wobei dieses Verfahren auch für den großtechnischen Einsatz besonders geeignet ist.
Im vorgestellten Verfahren wird die Zellsuspension aus einer Biotransformation (Phasen I, Il und III aus Figur 1) direkt in einen Druckbehälter gegeben (Figur 6) und auf ca. 45°C temperiert. Anschließend wird mit einer geeigneten Vorrichtung komprimiertes oder überkritisches Gas wie z.B. Kohlendioxid der Emulsion zudosiert, bis der Kohlendioxid-Anteil bezogen auf die Gesamtmasse etwa 75% beträgt. Der Druck der Mischung wird auf etwa 115-120 bar erhöht und diese für mindestens zwei Minuten intensiv durchmischt. Nach Abstellen des Rührers stellt sich die gewünschte Phasen- und Zellseparation im Druckbehälter ein, wie diese in Figur 3 schematisch dargestellt ist. Hierbei stellt die Phase IV eine aus der wässrigen Phase III abgetrennte Menge an Zellen dar. Anschließend kann das erhaltene System einer einfachen Trennung in einer oder zwei Settler-Einheiten unterzogen und/oder die organische Phase direkt einer nachfolgenden überkritischen Extraktion mit Kohlendioxid zugeführt werden, um daraus das eigentliche Wertprodukt zu erhalten.
Es konnte beobachtet werden, dass die Phasentrennung auch nach Ablassen des Kohlendioxids erhalten bleibt. So kann anschließend auch bei Atmosphärendruck
υnd Raumtemperatur eine wesentlich verbesserte und schnellere Phasenseparation beobachtet werden. Die vormals in der Emulsion befindlichen Zellbestandteile (Phase I in Fig. 1 und Phase Il in Fig. 2) befinden sich nun an der Phasengrenzfläche zwischen wässriger Phase (Phase Il in Fig. 1 und Phase III in Fig. 2) und organischer Phase (Phase I in Fig. 2 und Fig. 3) und können leicht abgetrennt werden (Phase Il und für die Zellen Phase IV in Figur 3).
Untersuchungen an den Interphasen zwischen organischer Phase und wässriger Phase haben gezeigt, dass eine Veränderung feststellbar ist. So ist bereits bei 100- facher Vergrößerung unter dem Mikroskop zu erkennen, dass in der Emulsion vor der Behandlung mit Kohlendioxid eine Agglomeration der Zellbestandteile an der Phasengrenzfläche stattfindet. Nach der Behandlung mit komprimiertem Kohlendioxid ist dies unter dem Mikroskop bei gleicher Vergrößerung nicht mehr festzustellen. Es liegen im Gegenteil scharfe Phasengrenzflächen vor, wobei die vermutlichen Zellbestandteile homogen im unteren Bereich der organischen Phase I vorliegen.
Durch Verwendung von komprimiertem Kohlendioxid kann nach der Trennung der Emulsion eine Extraktion der Wertsubstanz durchgeführt werden, sofern sich die Wertsubstanz bei den gegebenen Bedingungen im Kohlendioxid löst.
Die beschriebene Aufarbeitung der Emulsion mit komprimierten oder überkritischen Gasen wie etwa Kohlendioxid kann in einem oder in mehreren Schritten erfolgen. In den Figuren 4 bis 6 sind hierfür mögliche Varianten skizziert.
Die Trennung der koaleszenzgehemmten Emulsion durch eine Mixer-Settler-Einheit, wie in Figur 4 gezeigt, ist regelungstechnisch problematisch, da die Füllstände und somit die Lage der Phasengrenzflächen konstant gehalten werden müssen, kommt aber mit wenigen Behältern aus. Hierzu wird das Reaktionsgemisch zusammen mit Kohlendioxid unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in einen Druckbehälter M1 gegeben und dort intensiv durchmischt. Anschließend wird die homogene Emulsion in Behälter B1 gegeben, wo sich unter langsamem Rühren mit dem motorbetriebenen Mixer M eine Phasentrennung einstellt. Die jeweiligen Phasen können danach direkt abgezogen werden, um sie einer weiteren Aufreinigung zu unterziehen.
Eine einfachere Regelung lässt sich realisieren, wenn man die Phasenseparation nach dem Mixer M nochmal unterteilt und zunächst nur die organische Phase mit Zellfragmenten/ Makromolekülen von der wässrigen Phase mit Zellen/ Biomasse trennt. Anschließend werden dann die festen Bestandteile aus den jeweiligen Pha- sen durch Sedimentation abgeschieden. Dieses Verfahren ist in Figur 5 skizziert. Hierin wird das Reaktionsgemisch zusammen mit Kohlendioxid unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in einen Druckbehälter M1 gegeben und dort intensiv durchmischt. Anschließend wird die homogene Emulsion in Behälter B1 gegeben, wo sich unter weiterem Rühren eine Phasentrennung zwischen organischer Phase mit Zellfragmenten/ Makromolekülen und wässriger Phase mit Zellen/ Biomasse einstellt. Die jeweiligen Phasen können danach in die Behälter B2 - B4 überführt werden. In den Behältern B3 und B4 werden nun die Feststoffe durch Sedimentation abgetrennt.
Neben dem kontinuierlichen Betrieb in einer Mixer-Settler-Einheit, ist dabei auch der Batchbetrieb in einem einzigen Behälter denkbar, in dem zuerst für eine gewisse Zeit das Reaktionsgemisch unter Zudosierung von komprimiertem Kohlendioxid durchmischt wird und nach Abschaltung des Rührers/ Homogenisierers M die gravimetri- sche Trennung abgewartet wird. Auch hier können die jeweiligen Phasen danach direkt abgezogen werden (siehe Figur 6). Das Reaktionsgemisch wird zusammen mit Kohlendioxid unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in einen Druckbehälter gegeben und für eine bestimmte Zeit intensiv durchmischt. Anschließend wird der Rührer/ Homogenisierer M abgeschaltet/ verlangsamt, so dass sich eine Phasentrennung einstellt. Die jeweiligen Phasen können danach direkt abgezogen werden, um sie einer weiteren Aufreinigung zu unterziehen.
Mit den durch eine der drei Varianten erhaltenen reinen Fraktionen kann nun weiter verfahren werden.
Für den Gesamtprozess einer Gewinnung der Wertsubstanz unter gleichzeitig möglichst vollständiger Rückgewinnung der Prozesssubstanzen kann es sinnvoll sein, die Trennung der Emulsion vor oder nach einer weiteren Aufarbeitung, z.B. einer Extrak- tion, des Wertproduktes durchzuführen. Alternativen zur Durchführung einer Pro-
duktaufarbeitung ausgehend von der Biotransformation hin zum reinen Wertprodukt sind in den Figuren 7 bis 9 dargestellt.
Das in Figur 7 dargestellte Verfahren bietet dabei den Vorteil, dass das Wertprodukt direkt aus der Emulsion extrahiert werden kann. Ausgehend von der Biotransforma- tion wird die Emulsion unmittelbar in eine Extraktion überführt. Hier wird, z.B. durch komprimiertes Kohlendioxid unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur, das Wertprodukt direkt extrahiert. Durch Absenkung des Druckes fällt das Wertprodukt aus und das Kohlendioxid kann recycelt werden. Die verbliebene Emulsion wird der beschriebenen Phasentrennung mit komprimiertem Kohlendioxid unterzogen, wo- durch in weiteren Schritten eine einfache Abtrennung der festen Bestandteile, sowie ein Recycling des Lösungsmittels erfolgen können.
Allerdings ist der der Extraktion zugeführte Massenstrom groß. Vorheriges Abtrennen der wässrigen Phase, in der sich typischerweise so gut wie kein Wertprodukt befindet, kann diesen Massenstrom erheblich reduzieren, was zu einer effizienteren Aufarbeitung führen kann, wie dies in Figur 8 dargestellt ist. Ausgehend von der Biotransformation wird die Emulsion der beschriebenen Phasentrennung mit komprimiertem Kohlendioxid unterzogen, wobei die wässrige Phase mit Zellen/Biomasse abgetrennt wird. Die verbleibende organische Phase wird einem weiteren Aufreinigungsschritt (z.B. einer Extraktion mit komprimiertem CO2) unterzogen, bei dem die in der organischen Phase enthaltenen Feststoffe durch Sedimentation abgetrennt werden
Alternativ zu Aufarbeitungen, die eine Extraktion enthalten, sind, sofern die organische Phase nach der Phasentrennung mit komprimiertem Kohlendioxid frei von bio- genen Stoffen vorliegt, auch andere Trennverfahren oder beliebige Kombinationen davon zur Isolation des Wertproduktes möglich. Hierzu eignen sich verschiedenste Verfahren wie Chromatographie, Kristallisation, Destillation, Adsorption, Absorption, Membranverfahren, und Filtration. Allgemein ist diese Variante in Figur 9 dargestellt. Ausgehend von der Biotransformation wird die Emulsion der beschriebenen Phasentrennung mit komprimiertem Kohlendioxid unterzogen, wodurch die wässrige Phase mit Zellen/Biomasse abgetrennt wird. Die verbleibende organische Phase wird einem weiteren Aufreinigungsschritt unterzogen, bei dem die in der organischen Phase ent-
haltenen Feststoffe durch Sedimentation abgetrennt werden. Anschließend wird die so erhaltene reine organische Phase einem/mehreren weiteren Trennschritt(en) zur Gewinnung des Wertproduktes unterzogen.
In der Figur 10 ist beispielhaft das Extraktionsverhalten der Emulsion bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt. Aufgetragen ist die Konzentration der angegebenen Stoffe in der organischen Phase. Es ist zu erkennen, dass die mit 75 Massen-% CO2-behandelte Emulsion im Gegensatz zur ursprünglichen Emulsion eine wesentlich verminderte Konzentration an der Wertsubstanz Styroloxid aufweist.
Betrachtet wurde beispielhaft ein Zweiphasensystem nach der Phasentrennung ge- maß des zuvor vorgeschlagenen Verfahrens. Dieses bestand aus einer wässrigen Phase, sowie Bis-2(ethylhexyl)phthalat als Hauptbestandteil der organischen Phase, in der neben dem Wertprodukt Styroloxid auch Oktan, Styrol sowie 2-Phenylethanol vorhanden waren. Beide Phasen wurden vor bzw. nach Behandlung mit Kohlendioxid mittels Gaschromatographie analysiert. Die Konzentration der Wertsubstanz Styroloxid in der organischen Phase ging durch die Behandlung mit Kohlendioxid stark zurück; in der wässrigen Phase konnte Styroloxid gar nicht nachgewiesen werden. Styroloxid wurde offensichtlich in die kohlendioxidreiche Phase extrahiert.
In der Figur 11 ist in einer Tabelle eine Auflistung mit kritischen Daten ausgewählter Fluide zu erkennen, die im industriellen Einsatz zur Verwendung bei Hochdruck- Verfahrensprozessen genutzt werden und auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können. Hierbei ist diese Tabelle nur beispielhaft angeführt und beschränkt die Verwendung anderer komprimierter oder überkritischer Gase in dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht.
Referenzen
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