m i t Escherichia coli - Forschungszentrum Jülich

3 Stand des Wissens
3.4 Integration der Produktaufarbeitung in den
Produktionsprozess
Integrierte Prozesse sind definiert als Prozesse, bei denen Produktbildung und Gewinnung
des Produktes gleichzeitig erfolgen [Schuegerl u. a. 1994]. Die integrierte Produktaufarbeitung
ist ein Ansatz zur Erhöhung der Produktivität und Reduzierung der Produktionskosten
[Schuegerl 2000]. Sowohl eine Inhibierung der Produktion durch ein Produkt
kann vermieden werden als auch ein Produkt vor Veränderungen, z.B. vor Oxidation
geschützt werden. Darüber hinaus kann dadurch eine Aufkonzentrierung des Produktes
erreicht und damit das Volumen und die Kosten für nachfolgende Schritte reduziert werden.
Verfahren für die In-situ Produktaufarbeitung sind Verdampfung, Extraktion,
größenselektive Permeation, Elektrodialyse, reversible Komplex-Bildung oder Produktimmobilisierung.
Produkte wie Ethanol, Aceton-Butanol, organische Säuren wie Milchsäure,
Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure oder Pharmazeutika wie Penicillin, Cycloheximid,
Oxytetracyclin oder Alkaloide wurden untersucht [Freeman u. a. 1993]. Organische
Säuren und Aminosäuren können durch Präzipitation, Solvent-Extraktion, Elektrodialyse,
Ionenaustausch oder Kristallisation abgetrennt werden, Antibiotika durch Adsorption,
Solvent-Extraktion oder Kristallisation [Schuegerl 2000].
Um eine externe Produktabtrennung in einen Produktionsprozess integrieren zu
können, müssen vorab die Zellen abgetrennt werden. Dabei dürfen die Mikroorganismen
nicht durch Gradientenbildung und nachfolgende Sauerstofflimitierung im Umlauf zur
Zellrückhaltung beeinflusst werden. Die verwendete Aufarbeitungstechnik muss selektiv
für das Produkt sein. Bei einem Einsatz der Reaktivextraktion ist die mögliche Toxizität
der Carrier entscheidend, denn ein negativer Effekt auf die Zellen im Bioreaktor durch
Rückführung des Fermentationsmediums muss unbedingt vermieden werden. Zudem sollte
die Ionenstärke des Mediums möglichst nicht beeinflusst werden und der Verlust an
Medienbestandteilen wie Salzen gering sein.
3.4.1 Filtration
Bei der Filtration werden Komponenten aus einem Gemisch aufgrund ihrer Größe getrennt.
Es wird zwischen Kuchenfiltration und Querstromfiltration unterschieden. Bei der
Querstromfiltration wird die zu filtrierende Lösung tangential zur Membran gefördert.
Das Filtrat, auch Permeat genannt, passiert die Membran, während Rückstände durch
die Strömung im Konzentrat weggespült werden. Ein Filtrationskuchen baut sich nicht
auf (siehe Abb. 3.13). Die treibende Kraft für den Transport über die Membran entsteht
durch Gradienten im chemischen Potential 11 , d.h. Konzentrations-, Druck- oder Temperaturdifferenz.
Relativ geringe Scherkräfte und die Möglichkeit der kontinuierlichen Filtration
machen diese Methode für die Zellrückhaltung geeignet [Verrall 1996].
11 Das chemische Potential ist eine treibende Kraft, ausgedrückt durch die Änderung der freien Energie
des Systems als Folge der Änderung der Zusammensetzung des Systems [Cheryan 1998].
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