m i t Escherichia coli - Forschungszentrum Jülich

7 Integration der Reaktivextraktion in den Fermentationsprozess
7.3 Zusammenfassung
Zur Vermeidung der Inhibierung der Produktion durch hohe L-Phenylalanin-
Konzentrationen wurde die Abtrennung aus dem Bioprozess durch integrierte
Reaktivextraktion in Flüssig-Flüssig-Zentrifugen untersucht. Die Extraktion erfolgte mit
dem Kationen-selektiven Carrier D2EHPA in Kerosin, die Rückextraktion zur Regenerierung
des Carriers und Aufkonzentrierung des Produkts mit Schwefelsäure. Um geeignete
Einstellungen für eine Online-Extraktion zu ermitteln, wurden Offline-Experimente zur
Charakterisierung der Extraktion in Flüssig-Flüssig-Zentrifugen durchgeführt. Anschließend
wurde die Reaktivextraktion in den Fermentationsprozess integriert und die Einflüsse
auf die L-Phenylalanin-Produktion untersucht.
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• In Offline-Experimenten wurden die folgenden Einflüsse festgestellt:
– Stabilität des Systems: Das System war stabiler, wenn L-Phenylalanin aus
Salzlösung oder aus Fermentationsüberstand extrahiert wurde, als wenn es aus
Wasser extrahiert wurde. In diesem Fall traten eher Emulsionen auf. Wenn für
leichte und schwere Phase ungleiche Volumenströme eingestellt wurden, war
das System hingegen instabiler. Höhere Volumenströme führten eher zu Instabilitäten
als niedrigere. Die Fermentationsbrühe musste vor dem Einsatz filtriert
werden, um Zellen und Proteine zu entfernen, da andernfalls Proteine an der
Phasengrenze zwischen wässriger und organischer Phase präzipitierten.
– Extraktionsbestandteile: Verschiedene L-Phenylalanin- (60–120 mmol/l),
Carrier- (10–20 %) und Schwefelsäurekonzentrationen (1–2 M) wurden untersucht.
Die Carrier-Konzentration wurde als die einflussreichste Größe identifiziert.
Eine Erhöhung führte zu einer verbesserten Extraktion. Unter Verwendung
von 1 M Schwefelsäure wurde eine sechsfache L-Phenylalanin-Konzentrierung
von 15 g/l im Donator auf 90 g/l im Akzeptor erreicht.
– Scherkraft und Rotordrehzahl: Durch die Verwendung eines ” High-Mix“-
Einsatzes in den Zentrifugen wurde die Extraktion verbessert. Die Rotordrehzahl
hatte im Bereich von 2400–3600 Upm keinen Einfluss auf die Extraktion.
Höhere Drehzahlen führten zu Emulsionsbildung.
– Volumenstrom: Volumenströme von 2 l/h–10 l/h wurden untersucht. Der
Stoffübergang bei Extraktion und Rückextraktion wurde durch erhöhte Volumenströme
der wässrigen Donatorphase und der organischen Phase erhöht. Eine
maximale Extraktion wurde bei Volumenströmen von 8 l/h erreicht.
• Mit den Offline-Experimenten wurde die technische Realisierbarkeit der Extraktion
in Flüssig-Flüssig-Zentrifugen gezeigt und geeignete Parameter für eine Online-
Extraktion ermittelt. Auf der Basis dieser Experimente wurde die Extraktion in den
Fermentationsprozess integriert. Die Permeatgewinnung funktionierte verbunden mit
der Reaktivextraktion. Zudem konnte ein stabiles Extraktionssystem während einer
Fermentation über 32 Stunden online aufrecht erhalten werden.
• Bei einer Online-Extraktion über 32 Stunden stieg die L-Phenylalanin-Konzentration
im Akzeptor bis auf 360 mmol/l an und war damit zehnmal so hoch wie im Bioreaktor.
Dieses hoch konzentrierte L-Phenylalanin im Akzeptor konnte durch Präzipitation