Charakterisierung der Fluiddynamik und des Stofftransports von wässrigen Zweiphasensystemen (ATPS) in einer flüssig-flüssig Gegenstromextraktionskolonne

Christian Meyer

,

Markus Schmidt

, Armin Eggert

,

Andreas Pfennig

, Andreas Jupke

Charakterisierung der Fluiddynamik und des Stofftransports von wässrigen

Zweiphasensystemen (ATPS) in einer flüssig-flüssig Gegenstromextraktionskolonne

Quellen:

[1] Albertsson, P.-Å., 1986: Partition of cell particles and macromolecules (3. ed.). New York. Wiley

[2] Rosa, P. A. J. et al., 2010: Aqueous two-phase systems: A viable platform in the manufacturing of biopharmaceuticals. J Chromatogr A, 1217 (16), 2296–2305

Kontakt:

1_{RWTH Aachen University}

AVT - Aachener Verfahrenstechnik Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik Forckenbeckstr. 51, 52074 Aachen

christian.meyer@avt.rwth-aachen.de

2_{GEA Wiegand GmbH, Am Hardtwald 1,}

76275 Ettlingen, ma.schmidt@gea.com

3PEPs – Products, Environment, and Processes,

Department of Chemical Engineering, Université de Liège, Allée du Six Août 11, 4000 Liège, Belgien

andreas.pfennig@uliege.be

EXTRAKTIONSVERSUCHE

 Vollständig temperierte DN32 Gegenstromextraktionskolonne  Kühni Blattrührer & Ringstatoren (Abb. 2)

 Aktive Kolonnenhöhe von 1.575 mm

Fluiddynamik:

 Steigung des Holdup-Verlaufs & maximal mögliche Belastung nehmen mit steigendem Volumenstromverhältnis zu (Abb. 3)

Stofftransport:

 Extraktionsgrad nimmt mit Volumenstromverhältnis leicht ab (Abb. 4)  Mittlerer Verteilungskoeffizient von 9 (Abb. 5)

 Extraktionsgrad von ca. 80 % & HETS Wert von 0,75 m erzielt

WÄSSRIGE ZWEIPHASENSYSTEME (ATPS)

 Bildung durch Lösung von hydrophilem Polymer & Salz in Wasser

 Schonende Umgebungsbedingungen für die Extraktion von Proteinen[1]

 Geringe Dichtedifferenz & Grenzflächenspannung (Tab. 1):

 Sehr kleine Tropfen: Hohe Anforderungen an apparative Umsetzung[2]

 Auswahl des Extraktionssystems aufwändig

 Einsatz geht selten über Anwendung im Labormaßstab hinaus

Ziel: Kontinuierlicher Betrieb von ATPS in flüssig-flüssig Extraktionskolonnen

MODELLSYSTEM

 Signifikanter Einfluss von pH-Wert & PEG-Kettenlänge auf Mischunglücke (Abb. 1)  Mischunglücke wird mit steigendem pH-Wert & PEG-Kettenlänge größer

 Übergangskomponente: 1 g/kg Albumin (66 kDA) in unterer Phase  Verteilungskoeffizient nimmt mit pH-Wert zu

 Verteilungskoeffizient bei Einsatz von PEG 2000 zu gering (K ≈ 1)

 ATPS mit 8 % Phosphat & 13,5 % PEG 1000 als Phasenbildner

 Mischung aus K₂HPO₄ & NaH₂PO₄ zur Einstellung des pH-Werts (pH 9)

FAZIT

 Kontinuierliche Extraktion von Proteinen mit ATPS in Gegenstromextraktionskolonne im Technikumsmaßstab erfolgreich realisiert  Lastgrenzen und Extraktionsleistung für Modellsystem bestimmt

 Bei aktiver Höhe von 1.575 mm bereits mehr als 2 theoretische Trennstufen erreicht

Abb. 3: Holdup & Flutbereich ohne Albumin Abb. 4: Konzentrationsprofil in unterer Phase Abb. 5: Gleichgewicht & Betriebsgerade

Abb. 1: Mischungslücke ATPS

Tab. 1 Phosphat _[g/g] PEG 1000_{[g/g] [g/cm³]}ρ _[mPas]η _[mN/m] σ

Obere

Phase 2,1 34,9 1,088 9,1

0,3 Untere

Phase 12,3 1,6 1,193 1,9

Abb. 2: DN32 Extraktionskolonne & ATPS im Kolonnenbetrieb