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Eine magnetische horizontale Wirbelschicht für die
Durchmischung und Rückhaltung von
magnetisierbaren Mikropartikeln im Durchfluss
Tippkötter N., Ulber R.
Technische Universität Kaiserslautern, Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik,
Gottlieb-Daimler-Straße 44, 67663 Kaiserslautern
Einleitung
Die magnetische Abtrennung von funktionalisierten Partikeln aus Fermentationsansätzen eröffnet die Option einer vereinfachten
Aufarbeitung. So können viele der üblicherweise notwendigen Grundoperationen zu einem magnetischen Abtrenn- und einem
Elutionsschritt zusammengefasst werden.
Zur Abtrennung der Partikel aus dem Bioreaktor kann ein Hochgradient-Magnetseparator (HGMS) verwendet werden. Als Alternative wird
eine magnetische Rückhaltung im Durchfluss in Form einer magnetischen Wirbelschicht vorgestellt. Durch ein phasenverschobenes
wechselndes Magnetfeld wird sowohl eine Rückhaltung , als auch eine Durchmischung der magnetisierbaren Partikel möglich.
1. Partikelsynthese
4. Abtrennung im HGMS
Die Synthese der superparamagnetischen Magnetitpartikel erfolgt durch Fällung von Fe(II)- und Fe(III)chloriden. Im Anschluss erfolgt der Einschluss der
Nanopartikel in verschiedene Polymermatrices:
a. Polyvinylalkohol
b. Polymethylacrylat-Divinylbenzol
c. Alginate
Des Weiteren werden kommerzielle magnetisierbare
Partikel mit Funktionalisierungen zum Anionenaustausch, der Affinitätsbindung und kovalenten
Bindung von Enzymen eingesetzt.
Die Abtrennung von magnetisierbaren Partikeln von dem Überstand wird
üblicherweise entweder durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds und der
resultierenden Ablagerung der Partikel an den Reaktorwänden (OGMS), oder durch
Hochgradientenmagnetseparation (HGMS) durchgeführt. Beide Verfahren
resultieren meist in der Bildung eines Filterkuchens aus Magnetpartikeln und den
Feststoffen des Reaktionsmediums. In einem Folgeschritt ist eine Partikelregeneration
notwendig.
Abb. 1:
Verschiedene
magnetisierbare
Polymerpartikel in
einem Größenbereich von
100 µm bis 1 cm.
Abb. 4: Schematischer
Aufbaue unf Foto
einer HGMSTrennlammer
2. Anwendung Ionenaustausch
Dicarbonsäuren, wie u. a. Itacon- und Bernsteinsäure,
verwendet werden. Im Rahmen einer fermentativen
Herstellung
der
Dicarbonsäuren
erfordert
deren
Aufreinigung mehrere Schritte der Zellabtrennung und
Das magnetische horizontale Wirbelbett ermöglicht simultan eine kontinuierliche
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Beladung (mg/g)
können als Grundchemikalien für die chemische Industrie
5. Abtrennung in der Wirbelschicht
Feinreinigung. Durch Einsatz von magnetisierbaren
Ionenaustauschern kann die Abtrennung in einem Schritt
erfolgen. Es wurden Untersuchungen zur Abtrennbarkeit
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Reaktionsführung und die Rückhaltung der Partikel im Durchfluss. Somit können die oben
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beschriebenen Anwendung im Gegensatz zum HGMS in einem einzigen Reaktionsschritt
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durchgeführt werden. Die Partikelsuspension fließt durch einen Rohrreaktor, der in einem
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Magnetfeld mit wechselnden Feldgradienten eingebracht ist. Die Änderung des
5
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Konzentration (g/L)
3,0
Abb. 2: Bernsteinsäure-Bindungskapazität der magn. IEX-Partikel.
Magnetfeldgradienten erfolgt entgegen der Strömungsrichtung der Reaktionslösung.
Durch alternierende Feldmaxima an den beiden Seiten
aus einem Bioreaktor mit IEX-Partikeln durchgeführt. Bei Einsatz eines Minimalmediums
des
konnte eine Bindungskapazität von 65 mg•g-1 BS erreicht werden. 99% der
Magnetpartikel können mittels HGMS aus dem Medium entfernt werden. Nachteil
des HGMS ist eine unvollständige Partikelausspülung des Filters.
Partikel
Reaktors
in
werden
die
Richtung
der
Wänden gezogen und somit
zurückgehalten
Abb. 5: Schematischer
Aufbau der horizontalen
magnetischen
Wirbelschicht. Außerhalb
des Rohrreaktors ist der
phasenverschobene
Wechsel der Magnetfelder
angedeutet.
3. Anwendung Katalyse
6. Zusammenfassung
Als Modellsystem für die katalytische Aktivität der
Der Einsatz von Hochgradient-Magnetseparatoren für die Abtrennung von
magnetisierbaren Partikeln aus komplexen Suspensionen ist ein etabliertes
Verfahren. Die vollständige Rückspülung der abgetrennten Partikel aus dem Filter
und Kuchenbildung im Filter im Laufe der Abtrennung sind zu bewältigende
Probleme dieser Trennmethode.
Eine kontinuierliche Rückhaltung und Durchmischung von Partikeln ist mit einer
magnetischen horizontalen Wirbelschicht möglich. Durch alternierende
Magnetfelder am Rand eines Rohrreaktors erfolgt eine wechselnde Anziehung der
Partikel zu den Rohrwänden entgegen der Strömungsrichtung. Dies erlaubt eine
Reaktionsführung mit den Partikeln (u. a. Adsorption, Katalyse) ohne die
Notwendigkeit einer Reaktionsunterbrechung für einen Abtrennschritt.
verschiedenen Partikel wird die Oxidation von Glucose
zu Glucono-1,5-lacton durch das Glykoenzym
Glucoseoxidase verwendet. Das Enzym kann durch
den Einsatz des Affinitätsliganden Concanavalin A
reversibel an die Partikel gebunden werden. Des
Weiteren eröffnet sich die Option des Bioaffinity
Layering, der mehrfachen Beschichtung der
Partikeloberflächen mit Enzymen. Durch das Bioaffinity
Layering konnte die spezifische Aktivität der Partikel
um einen Faktor von bis zu 20 gesteigert werden.
Abb. 3: Reaktionsmechnismus GOD
und Aktivitätssteigerung durch
Bioaffinity Layering.
http://www.mv.uni-kl.de/biovt/
Fachbereich Maschinenbau
und
Verfahrenstechnik