Fluidverfahrenstechnik und Thermodynamik

In den letzten Jahren ist der Bedarf an biotechnologischen Produkten immer weiter gestiegen. Während die Konzentrationen der Produkte in Fermentationsbrühen gesteigert werden können, bildet das Downstrem Processing das Bottleneck im Herstellungsprozess. Der Grund hierhin liegt in der komplexen Zusammensetzung der Brühen und häufig komplexen Produkten wie Proteine. Innerhalb dieser Arbeitsgruppe werden extraktive, adsorbtive Verfahren als auch die  Kristallistaion für Aufarbeitungsverfahren untersucht. Beispielhaft is hier die wässrige Zweiphasenextraktion zu nennen mit deren Hilfe Proteine kostengünstig aufgereinigt werden können. 

Darüberhinaus wird auch die thermodynamische Modellbildung für die in der Fluidverfahrenntechnik betrieben. So werden die notwendigen Phasengleichgewichte sowohl theoretisch als auch experimentell analysiert. Neben den Gleichgewichten werden auch Transportphänomen in dieses Systemen untersucht.

Wässrige Zweiphasenextraktion

Im Bereich der Aufreinigung von fermentativ herstellten Biomolekülen – insbesondere von Proteinen – sind der Chromatographie als klassisches Trennverfahren aufgrund von Kapazitätslimitierungen und Scale-up Schwierigkeiten Grenzen gesetzt. Ein kapazitätserweiterndes und Scale-Up-bewährtes Trennverfahren stellt die Extraktion mittels wässriger Zwei-Phasen Systeme (engl. aqueous-two phase systems (ATPS)) dar. ATPS können sich ausbilden, wenn zwei hydrophile Komponenten in genügend hoher Konzentration in Wasser gelöst werden. Der Vorteil liegt hier in dem wässrigen Charakter der beiden Phasen. Dadurch zeichnen sich ATPS als ein Extraktionsverfahren aus, das Biomoleküle sehr schonend aufreinigt. Am Institut werden sowohl die Aufreinugungsanwenungen von ATPS untersucht als auch deren Grundlagen.

Literatur

Brandenbusch, C.; Zeiner, T.;  Merz J.  Intensification of Biobased Processes. 2018. 344-364.

Mündges, J.; Zierow, J.; Langer, U.; Zeiner, T.Separation and purification technology, 2015, 154, 217-227.

Prinz, A.; Koch, K.; Górak, A.;Zeiner, T. Process biochemistry, 2014, 49, 1020-1031.

Reaktive Extraktion

In der Reaktivextraktion wird eine Reaktion eingesetzt, um die Veretilung eines Stoffes zwischen zwei Phasen zu optimieren. Dieses Verfahren findet heutzutage immer mehr Anwendung in der Biotechnologie, um polare Komponenten aus wässriger Lösung abzutrennen. Am Institut wird die Reaktivextraktion eingesetzt, um beispielsweise Carbonsäuren aus wässriger Umgebung mit Hilfe einer Komplexbildung zu extrahieren. Außerdem werden die verfahrenstechnischen Grundlagen, wie etwa der Stofftransport oder die Grenzflächeneigenschaften untersucht.

Literatur:

Gorden, J., Geiser, E., Wierckx, N., Blank, L. M., Zeiner, T., Brandenbusch, C. Engineering in life sciences, 2017, 17, 809-816.

Gorden, J., Zeiner, T., Sadowski, G., & Brandenbusch, C.  Separation and purification technology, 2016, 169, 1-8.

Schulz, R., Van Den Bongard, R., Islam, J., Zeiner, T. Industrial & engineering chemistry research, 2016, 55, 5763-5769.

Polymerthermodynamik

Die Phasengleichgewichte von Polymeren unterscheidet sich auf Grund zweier Punkte stark von denen kleiner Moleküle. Zum einen können Polymere stark uneinheitlich sein, da die Polymere eine Verteilung in der Kettenlänge oder im Verzweigungsgrad aufweisen können und zum anderen in der Größe im Vergleich zu kleinen Molekülen. Der Pioneer in der Polymerthermodynamik waren Flory und Huggins, die unabhängig voneinander eine Gittertheorie für Polymere entwickelten. Heutzutage gibt es Weiterentwicklungen dieser Theorie beispielsweise in der Lattice Cluster Theorie, welche es erlaubt auch die Struktur der Polymere zu berücksichtigen. Am Institut wird die Lattic Cluster Theorie eingesetzt zur Beschreibung von Phasengleichgewichten hyperverzweigter Polymere oder auch des Stofftransportes in polymerhaltigen Systemen.

Literatur:

A. Kulaguin Chicaroux, M. Plath, T. Zeiner, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 2016, 99, 167-174.

T. Goetsch, P. Zimmermann, S. Enders, T. Zeiner, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 2016, 99, 175-182.

A. Kulaguin Chicaroux, A Górak, T Zeiner Journal of Molecular Liquids 2015, 209, 42-49.

 

Stofftransport

Die Grenzflächeneigenschaften sind von herausragender Bedeutung für Trennprozesse in der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Speziell bei Extraktionsprozessen spielen diese eine besonderen Rolle, da neben dem Stofftransport auch die Tropfenkoaleszenz durch die Grenzflächeneigenschaften bestimmt werden. Im Rahmen mehrerer Forschungsarbeiten am Institut werden die Grenzflächeneigenschaften von Flüssig-Flüssig Systemen sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht. Zu den Grenzflächeneigenschaften zählen sowohl die Grenzflächenspannung als auch der Transport über die Phasengrenzfläche. Diese Grenzflächeneigenschaften werden mit Hilfe der Dichtegradiententheorie modelliert. Als Fernziel steht die Implementierung in eine CFD-Simulation.

Literatur:

P Zimmermann, A Mawbey, T Zeiner - Journal of Chemical & Engineering Data, 2019

R Nagl, P Zimmermann, T Zeiner - Journal of Chemical & Engineering Data, 2019

A Kulaguin-Chicaroux, T Zeiner- Journal of Chemical & Engineering Data, 2018, 63 (7), 2467-2476