Merz 28062012 - A Contribution to Design Foam
date post
05-May-2017Category
Documents
view
225download
3
Embed Size (px)
Transcript of Merz 28062012 - A Contribution to Design Foam
A contribution to design
foam fractionation processes
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
Dr.-Ing.
von der Fakultt Bio- und Chemieingenieurwesen
der Technischen Universitt Dortmund
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Juliane Merz
aus
Linz am Rhein
Tag der mndlichen Prfung: 28.06.2012
1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schembecker
2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Andrzej Gorak
Dortmund 2012
Ein Gelehrter in seinem Laboratorium ist nicht nur ein Techniker;
er steht auch vor den Naturgesetzen wie ein Kind vor der Mrchenwelt.
Marie Curie
Abstract
In biochemical industry foams are generally undesired because foaming is mostly accompa-
nied by product loss and thus, effort is put into the prevention of foam formation especially
during downstream processing. However, the foaming tendency caused by amphiphilic or
surface-active substances in bioprocesses does not necessarily need to be disadvantageous.
A downstream separation technique, where foam is actually desired and used as the se-
paration medium, is foam fractionation. The principle of separation is the preferential
adsorption of surface-active substances at a gas-liquid interface. In this thesis, a fungal
hydrolytically active enzyme, biochemically characterized as a cutinase, is separated out
of the crude culture supernatant using foam fractionation. For batch and continuous
foam fractionation various process parameters, like pH value or temperature, and column
design parameters, such as length or diameter of the foaming column are systematically
investigated in regard to separation efficiency and foam stability. Impact parameters and
parameter interactions were identified using Design of Experiment and it was possible
to tailor the foam fractionation process to desired yields or enrichments. For continuous
foam fractionation enriching and stripping mode were examined, whereas stripping mode
is found to be more efficient for highly diluted or weak systems. Experiments with dyes
and surface tension measurements further increased the knowledge about the process.
It could be shown, that cutinase can be recovered and simultaneously concentrated and
purified. A recovery of 94 % and a 47-fold concentration and 19-fold purification of
cutinase in the foam phase could be achieved in a single process step. This, and the lack
of additives and the simple experimental procedure make foam fractionation a technique
for process intensification. However, before foam fractionation can be used in industry a
scale-up is necessary. Two traditional scale-up approaches were tested to enlarge the foam
fractionation system. However, the investigated and enlarged foam fractionation columns
were still lab-scale equipment. During the scale-up experiments, activity profiles of the
columns were analyzed. Relationships between gas superficial velocity and column length
ii
were found, which offer opportunities to configure a foam fractionation column to special
requirements.
Parallel to the cutinase system the industrial enzyme PLA2 was separated and purified
from complete culture broth of the recombinant Aspergillus niger via foam fractionation.
Batch foam fractionation and continuous foam fractionation in stripping and enriching
mode were investigated. Similar results as for the cutinase system were obtained.
As a consequence of the research presented a guideline was developed to adjust foam frac-
tionation fast and efficiently to general enzyme systems. Additionally, a pure component
system and non-foamable enzymes were investigated to validate the guideline.
Zusammenfassung
In biotechnologischen Prozessen ist die Bildung von Schumen grundstzlich unerwnscht,
da diese meist mit Limitierungen und Produkteinbuen einhergeht. Allerdings muss die
Tendenz zur Schaumbildung, meist ausgelst durch amphiphile beziehungsweise ober-
flchenaktive Substanzen nicht zwangslufig negativ sein. Ein Aufreinigungsprozess der
gerade diesen physikalischen Unterschied der Substanzgruppen zur Trennung ausnutzt ist
die Zerschumung. Das Trennprinzip beruht dabei darauf, dass sich die oberflchenak-
tiven Substanzen an eine Gas-Flssigkeits-Grenzflche anlagern beziehungsweise adsor-
bieren und mit dem Schaum ausgetragen werden. In dieser Arbeit wird ein hydrolytisch
aktives Pilzenzym, biochemisch identifiziert als eine Kutinase, mit Hilfe der Zerschumung
aus unbehandeltem Kulturberstand getrennt. Verschiedene Prozessgren, wie pH-Wert
oder Temperatur und Kolonnengren, wie der Durchmesser oder die Lngen der Sule
wurden variiert und im Hinblick auf Trenneffizienz und Schaumstabilitt systematisch
untersucht. Dabei wurde statistische Versuchsplanung als systematischer Ansatz gewhlt
um absatzweise und kontinuierliche Zerschumung zu untersuchen. Fr die kontinuierliche
Zerschumung wurden die Betriebsweisen enriching mode und stripping mode nher
untersucht. Fr hochverdnnte oder schwach oberflchenaktive Substanzen fhrte die
stripping Fahrweise zu einem stabileren und effizienteren Prozess. Mit Hilfe der statis-
tischen Versuchsplanung konnten Einflussgren und deren Wechselwirkungen identifiziert
werden und die Zerschumung so angepasst werden, dass die gewnschte Ausbeute oder
Anreicherung erlangt werden konnte. Zum weiteren Verstndnis der Vorgnge whrend
der Zerschumung wurden Farbstoffexperimente durchgefhrt und die Oberflchenspan-
nung unter verschiedenen Bedingungen vermessen. Es konnte gezeigt werden, dass das
Enzym Kutinase aus dem Kulturberstand getrennt und gleichzeitig konzentriert und
gereinigt werden konnte. In nur einem Schritt konnte eine Ausbeute von 94 % mit einer
47-fachen Aufkonzentrierung und 19-fachen Reinigung der Kutinase in der Schaumphase
erreicht werden. Des Weiteren kann die Zerschumung aufgrund der einfachen Durch-
iv
fhrung und der Abwesenheit von Hilf- oder Zusatzstoffen als eine Technik zur Prozess-
intensivierung betrachtet werden. Um die Zerschumung jedoch industriell einsetzen zu
knnen, ist eine Mastabsvergrerung notwendig. In dieser Arbeit wurden zwei tra-
ditionelle Anstze zur Mastabsvergrerung der Zerschumung betrachtet, wobei der
Labormastab nicht berschritten wurde. Zum einen wurde der Ansatz eines konstan-
ten Verhltnisses von Lnge zu Breite und zum anderen der Ansatz konstanter Lnger
aber variierender Breite untersucht. Das Scale-up Verfahren bei konstantem Lngen-
und Breitenverhltnis fhrte zu einer verbesserten Trennleistung bei gleichbleibenden
Schaumeigenschaften. Die Mastabsvergrerung mit dem Ansatz konstante Lnge und
variierender Durchmesser der Sule hingegen verschlechterte die Trenneffizienz und die
Schaumstruktur vernderte sich. Whrend dieser Versuche wurden zustzlich Profile der
enzymatischen Aktivitt ber die Lnge der Sulen vermessen. Es konnten Zusammen-
hnge zwischen der Gasleerrohrgeschwindigkeit und der Kolonnenlnge ermittelt werden,
die fr die sptere Sulenkonfiguration von Bedeutung sind.
Parallel zu dem untersuchten Kutinase System wurde das im industriellen Mastab herge-
stellte Enzym PLA2 aus der Kulturbrhe des rekombinanten Pilzes Aspergillus niger mit-
tels Zerschumung getrennt und gereinigt. Auch hier wurde das System absatzweise und
kontinuierlich in stripping und enriching Fahrweise untersucht. Die Ergebnisse sind
denen des Kutinase Systems sehr hnlich.
Als Folge der prsentierten Untersuchungen wurde ein Leitfaden zur schnellen und ef-
fizienten bertragung herkmmlicher Enzymsysteme zur Zerschumung entwickelt. Um
die Qualitt des Leitfadens zu prfen, wurden weiterhin ein Reinstoffsystem und nicht
zerschumbare Enzyme untersucht.
List of Publications
Journal Papers
Merz, J., Schembecker, G., Riemer, S., Nimtz, M., Zorn, H.: Purification and identification
of a novel cutinase from Coprinopsis cinerea by adsorptive bubble separation. Separation
and Purification Technology, 69 (1), 2009, 57-62.
Merz, J., Zorn, H., Burghoff, B., Schembecker, G.: Purification of a fungal cutinase by
adsorptive bubble separation: A statistical approach, Colloids and Surfaces A: Physico-
chemical and Engineering Aspects, 382, 2011, 81-87.
Merz, J., Burghoff, B., Schembecker, G.: Continuous foam fractionation: Performance
as a function of operating variables, Separation and Purification Technology, 82, 2011,
10-18.
Merz, J., Schembecker, G.: Foam fractionation: A technique for process intensification.
Submitted to Chemical Engineering and Processing: Process Intensification.
Oral Presentations
Merz, J., Van de Sandt, E., Meesters, G., Schaap, A., Schembecker, G.: Intensified
downstream processing of PLA2 using foam fractionation. 16th International Conference
on Biopartitioning and Purification (BPP), Puerto Vallarta, Mexico (2011)
Merz, J., Burghoff, B., Schembecker, G.: Continuous foam fractionation: Performance as
a function of operating variables. GVC/Vortrags- und Diskussionstagung: Bioverfahrens-
technik an Grenzflchen, Potsdam (2011)
Merz, J., Burghoff, B., Schembecker, G.: Purification of a fungal cutinase by adsorptive
bubble separation: A statistical approach. 8th Conference on Foams and foam-related sys-
vi
tems (fluid interfaces, thin films, surfactants, concentrated emulsions) Eufoam, Borovets,
Bulgaria (2010)
Merz, J., Sc