ISBN 9783843934992

978-3-8439-3499-2, Reihe Verfahrenstechnik

Eric Ritter
Kontinuierliche extraktive Biokatalyse in wässrigen tensidbasierten Zweiphasensystemen

245 Seiten, Dissertation Technische Universität Hamburg-Harburg (2017), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Demonstration der Durchführbarkeit der extraktiven Biokatalyse im kontinuierlichen Betrieb unter Einsatz von gemischten, tensidbasierten wässrigen Zweiphasensystemen. Im Zuge der Arbeit werden sowohl theoretische Betrachtungen als auch experimentelle Methoden für die Identifizierung aller entscheidenden Parameter angewendet. Von besonderer Relevanz sind Phasenverhalten von wässrigen Tensidlösungen und Verteilungs-koeffizienten von Zielsubstanzen zwischen Mizellen und der umgebenen Bulk-Phase. Mit der Kombination von molekulardynamischen Simulationen und dem thermodynamischen Modell COSMOmic wurde ausgehend von der Simulation der Struktur vorgefertigter Mizellen eine systematische Studie mit dem Ziel einer effektiven Vorhersage von Mizelle/Wasser-Verteilungskoeffizienten durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass lediglich die Form der Mizellen einen signifikanten Einfluss auf die Vorhersagequalität von COSMOmic einnimmt und kleine Mizellen die besten Resultate liefern. Radiale freie Energieprofile identifizieren darüber hinaus den bevorzugten Anlagerungsbereich von Zielsubstanzen in mizellaren Strukturen.

Das Phasenverhalten von binären Tensid-Wasser-Gemischen ist oftmals für einen Einsatz in einem Extraktionsprozess nicht gut geeignet. In dieser Arbeit wurden ionische Tenside und Zucker als Zusätze für das Design von tensidbasierten wässrigen Zweiphasensystemen eingesetzt. Eine signifikante Verbesserung des Verteilungsverhalten von dissoziiert vorliegenden Molekülen konnte durch Zugabe von ionischen Tenside erreicht werden. Die Hinzugabe von Zucker hingegen bewirkte eine deutlich schnellere Phasentrennung basierend auf einer Erhöhung der Dichtedifferenz. Beide Effekte wurden dazu genutzt, die Trennleistung der tensidbasierten kontinuierlichen Extraktion in einer Gegenstromkolonne erheblich zu verbessern.

Schlussendlich konnte basierend auf diesen Versuchen die extraktive Biokatalyse erstmals erfolgreich im kontinuierlichen Betrieb in tensidbasierten wässrigen Zweiphasensystemen durchgeführt werden. Die Durchführung der Hydrolyse von Penicillin G bei simultaner in situ Abtrennung der Produkte konnte den Umsatz von 65 % im Batchprozess auf 72 % erhöhen. Diese Form der Prozessintensivierung mit Einsatz tensidbasierter wässriger Zweiphasensysteme stellt somit eine sinnvolle Alternative für Produktivitätssteigerungen biotechnologischer Prozesse dar.