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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung und
Aufkonzentrierung von Biomasse aus einer Fermentationsbrühe mittels
dynamischer Cross Flow Filtration mit rotierenden keramischen Membranen.
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Die
Aufreinigung von biotechnologisch gewonnenen Enzymen aus Fermentationsbrühen erfolgt üblicherweise
in mehreren Stufen. Vor der abschließenden Reinigungs- und Konzentrationsstufe,
beispielsweise durch Ultrafiltration, muß unerwünschte Biomasse, insbesondere
Zellen, Zellbestandteile und sonstige Verunreinigungen abgetrennt
werden.
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Derartige
Verfahren zur Gewinnung von Wertstoffen aus Fermenterlösungen sind
bekannt. In einer Querstrom-Membranfiltration wird der gelöste Wertstoff
als Permeat aus der Fermenterbrühe
abgeschieden. Anschließend
erfolgt eine Aufkonzentration des Wertstoffes in einer weiteren
Aufarbeitungsanlage, zum Beispiel durch Fällung oder in einer Ultrafiltration
beziehungsweise Umkehrosmose. Sowohl die Mikrofiltration mit Porengrößen von
0,02–10 μm als auch
die Ultrafiltration mit Porengrößen von
0,001–0,02 μm werden
mit Hilfe hintereinander geschalteter, sogenannter Modulen durchgeführt. Dabei
muß die
in den ersten Modul eintretende Fermenterbrühe mit einem ausreichend hohen
Druck beaufschlagt werden, damit aufgrund der in den Modulen auftretenden
Druckverluste auch im letzten Modul noch eine ausreichend große transmembrane
Druckdifferenz zur Stoffabtrennung gewährleistet ist.
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Aus
der zur
EP 200032 A2 der
Anmelderin ist ein Verfahren zur Reinigung von Fermenterlösungen mittels
Querstrommikrofiltration durch Membranen bekannt. Die Querstrommikrofiltration
dient demnach der Abtrennung des durch die Membran durchtretenden
Wertstoffs (Permeat; hier Enzym) von der Biomasse(= Retentat), welche
von der Membran zurückgehalten
wird.
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Eine
besondere Ausführungsform
dieses Verfahrens wird in in der
EP 307737 A2 der Anmelderin beschrieben.
Demnach wird die Querstrommikrofiltration durch Anlegen be sonderer
Druckverhältnisse
gesteuert. Auch nach dieser Ausführungsform
wird das Enzym als der von den Begleitstoffen gereinigte Wertstoff
auf der Permeatseite der Membran erhalten.
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Die
DE 10022258 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Reinigung und/oder Konzentrierung von Proteineinschlusskörpern in
einer Lösung,
welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Proteineinschlusskörper enthaltende
Lösung
tangential an einer oder mehreren semipermeablen Membranen vorbeigeleitet
wird, so dass die Proteineinschlusskörper von den Membranen zurückgehalten
werden und Substanzen oder Bestandteile mit einem kleineren Molekulargewicht
beziehungsweise Partikeldurchmesser durchtreten können, wobei
eine gereinigte und/oder konzentrierte Proteineinschlusskörper-Lösung erhalten
wird.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weisen jedoch hohe
Wertstoffverluste auf und sind deshalb nur bedingt wirtschaftlich
einsetzbar.
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Nachteilig
bei diesen bekannten Verfahren ist außerdem das bei Membranverfahren
immer auftretende Problem des sogenannten Foulings. Durch den Stofffluß an die
Membranoberfläche
gelangen neben den Wertstoffen auch Stoffe an die Poren der Membran,
die diese aufgrund ihrer Größe nicht
passieren können. Dadurch
bildet sich auf der Membranoberfläche eine komplex zusammengesetzte
Deckschicht, die während der
Aufkonzentrierung mehr und mehr den Stofffluß durch die Membran, insbesondere
des Wertstoffes, blockiert.
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Dadurch
wird die Retention (Rückhaltung
der Wertstoffe) erhöht
und der Permeatfluß begrenzt.
Zur Aufrechterhaltung der Trennleistung des Verfahrens muß die Aufkonzentrierung
bei relativ niedrigem Aufkonzentrierungsgrad abgebrochen werden
und die Membranflächen
müssen
einer Reinigung unterzogen werden.
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In
der
EP 200032 A2 der
Anmelderin wird ein Verfahren beschrieben, das diesen Nachteil weitgehend vermeidet.
Dieses Verfahren basiert jedoch auf der Verwendung bestimmter Membranwerkstoffe
sowie genau definierter hydrodynamischer Bedingungen. Deshalb ist
das Verfahren nur für
bestimmte biotechnologische Produkte geeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist deshalb die Bereitstellung eines Verfahrens zur
Abtrennung und Aufkonzentrierung von Biomasse aus einer Fermentationsbrühe, das
bei hohem Permeatfluß eine
möglichst
geringe Retention des Wertstoffes ermöglicht und universell eingesetzt werden
kann. Weiterhin soll das Verfahren energieeffizient und wirtschaftlich
günstig
durchführbar
sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Abtrennung und Aufkonzentrierung von Biomasse
aus einer Fermentationsbrühe
mittels dynamischer Cross Flow Filtration (Querstromfiltration),
das dadurch gekennzeichnet ist, dass man rotierende keramische Filtrationsmembranen
einsetzt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich besonders gut zur Aufkonzentrierung von Proteinen, vorzugsweise
von Enzymen, insbesondere von Waschmittelenzymen.
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Gewünschtenfalls
kann in einer vorgeschalteten Zentrifugenstufe ein erster Konzentrationsschritt
vorgenommen werden. Erfindungsgemäß wird das aus der Zentrifugenstufe
anfallende Konzentrat vorzugsweise unter Wasserzusatz diafiltriert
und anschließend
weiter aufkonzentriert. Bevorzugtermaßen wird eine derartige Menge
an Wasser zugegeben, dass die Brühe
um das 1,5- bis 4-fache, stärker
bevorzugt das 2- bis 3-fache, verdünnt wird. Durch diese Zugabe
von Wasser zu dem Retentat wird die Ausbeute und folglich die Wirksamkeit
des Filtrationsverfahrens erhöht.
Mengen des gewünschten
Produktes in dem Retentat können
noch durch diesen Verdünnungsschritt,
der die Zugabe von Wasser zu dem Retentat umfaßt, gewonnen werden.
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Die
Membranen sind erfindungsgemäß so ausgelegt,
dass die Biomasse auf der Retentatseite zurückgehalten und das Lösungsmittel
mit dem als Wertstoff zu gewinnenden Enzym und gegebenenfalls zusammen mit
niedermolekularen Verbindungen auf der Permeatseite erhalten wird.
Das Permeat kann dann direkt zur abschließenden Aufkonzentration des
Enzyms in dem Fachmann bekannter Weise weiter gereinigt, beispielsweise
einer Ultrafiltration unterzogen werden.
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Vorzugsweise
werden die rotierenden keramischen Filtrationsmembranen so eingesetzt,
dass sie partiell überlappen.
Bevorzugt wird eine Keramikmembran verwendet, die eine durchschnittliche
Porengröße im Bereich
von 0,01 bis 1 μm,
insbesondere von 0,1 bis 0,2 μm
aufweist.
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Während der
Zirkulierung der Brühe
entlang der Membran (Querstromfiltration) wird sie konzentriert, da
erhöhte
Mengen an Fluiden, die in der Brühe
vorliegen, durch die Membran permeieren.
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Ein
erfindungsgemäß geeigneter
volumetrischer Einkonzentrierungsfaktor (VCF) liegt im Bereich von 3
bis 20, vorzugsweise von 3 bis 5. Diese Konzentration kann am vorteilhaftesten
bei erhöhten
Temperaturen, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 1°C bis 70°C, stärker bevorzugt
von 35°C
bis 70°C
durchgeführt
werden. Besonders bevorzugt wird der Prozess bei einer Temperatur
von etwa ≤ 35°C gestartet
und bei einer Temperatur von etwa 70°C beendet.
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Vorzugsweise
erfolgt die Verfahrensführung
so, dass über
60% des Enzyms permeieren und das Retentat einen Feststoffgehalt
von mehr als 12% aufweist.
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Der
Transmembrandruck liegt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
im Bereich von 0,2 bis 10 bar, vorzugsweise im Bereich von 0,7 bis
3,0 bar.
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Bei
der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden Schergeschwindigkeiten im Bereich von 0,5 bis 10 m/s, vorzugsweise
im Bereich von 4 bis 7 m/s erzielt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann
kontinuierlich durchgeführt
werden. Vorzugsweise wird es jedoch als Batch-Verfahren durchgeführt, das heißt, dass
ein großes
aufzureinigendes Volumen einmal eingebracht und dann aufgearbeitet
wird. Ein kontinuierliches System ist in der Enzymgewinnung weniger
vorteilhaft, weil die Fermenter typischerweise ebenfalls batchweise
angesetzt und abgeerntet werden.
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Erfindungsgemäß geeignete
Membranmaterialien sind grundsätzlich
alle, aus denen sich keramische Membranen herstellen lassen. Als
Material der Membranschicht kommt jedoch vorzugsweise α-Al2O3, Zirkondioxid
oder Titandioxid in Betracht.
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Erfindungsgemäß einsetzbare
rotierende keramische Filtrationsmembranen sind beispielsweise solche,
die auch in den in der
DE
100 19 672 A1 beschriebenen Vorrichtungen verwendet werden.
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Vorrichtungen
dieser Art dienen zur Querstrom-Permeation von fließfähigen Medien.
Sie umfassen wenigstens zwei Wellen, auf denen jeweils viele scheibenförmige Membrankör per parallel
zueinander und in gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Die Wellen
sind hohl, und die Membranscheiben bestehen aus keramischem Material
und sind von Radialkanälen
durchzogen. Zwischen den Radialkanälen und dem Innenraum der Hohlwelle
besteht eine leitende Verbindung. Die zu filtrierende Flüssigkeit
gelangt von außen
durch das poröse
Material des Membrankörpers
in die Kanäle,
und von dort aus in die Hohlwelle.
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Die
genannten Wellen verlaufen parallel zueinander, so dass auch die
Membranscheiben zweier einander benachbarter Scheibenpakete parallel
zueinander angeordnet sind. Dabei sind die Wellen derart dicht nebeneinander
angeordnet, dass die Scheiben zweier Scheibenpakete verzahnungsartig
ineinandergreifen.
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Die
Scheiben müssen
nicht den genannten Aufbau aus porösem keramischem Material haben.
Es gibt auch Anwendungsfälle,
bei welchen einige Scheiben als sogenannte Dummy-Scheiben aufgebaut
sind. Auch ist es denkbar, die Scheiben aus Siebkörpern herzustellen.
Auch Kombinationen der genannten Bauarten sind denkbar, beispielsweise
die Paarung Siebkörper-Membrankörper. Im
folgenden soll nur von "Scheiben" gesprochen werden.
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Um
eine möglichst
große
Mengenleistung zu erzielen, sollen möglichst viele Scheiben auf
einer Welle sitzen. Die Scheiben müssen somit so dicht wie möglich angeordnet
werden. Andererseits ist aber darauf zu achten, dass die Scheiben
des einen Paketes nicht die Scheiben des anderen Paketes berühren. Deshalb
ist eine genaue axiale Positionierung der Scheiben auf ihren Wellen
erforderlich.
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Zum
Zwecke des Positionierens werden zwischen zwei einander benachbarten
Scheiben Distanzelemente angeordnet. Ebenfalls im Sinne einer genauen
axialen Positionierung wird das gesamte Scheibenpaket komprimiert,
beispielsweise durch eine Mutter, die auf die betreffende Hohlwelle
auf deren einem Ende aufgeschraubt wird, und die einen entsprechenden
Druck auf die Vielzahl von Scheiben mit dazwischen befindlichen Distanzelementen
ausübt.
Zwischen Mutter und Hohlwelle kann ein Federpaket geschaltet werden.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
einsetzbare rotierende keramische Filtrationsmembranen sind solche, die
auch in den in der
WO
02005935 A2 beschriebenen Vorrichtungen verwendet werden,
auf die hiermit in vollem Umfang Bezug genommen wird.
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Beispielhaft
gezeigt werden solche bevorzugt einsetzbare rotierende keramische
Filtrationsmembranen in den 1 bis 3.
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1 zeigt
eine Vorrichtung mit Filterplatten in einer schematischen Aufrißansicht.
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2 zeigt
den Gegenstand von 1 in einer Draufsicht.
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3 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
des Gegenstandes von 1, wiederum in Draufsicht.
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Wie
aus den 1 und 2 erkennbar,
weist die Vorrichtung zwei Hohlwellen 1, 1' auf. Jede Hohlwelle
trägt ein
Paket von Scheiben 2, 2'. Die beiden Wellen 1, 1' und die Scheibenpakete
befinden sich in einem Behälter 10.
Der Behälter
weist einen Einlaß 10.1 und
einen Auslaß 10.2 auf.
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Die
beiden Hohlwellen 1, 1' sind angetrieben – siehe 2,
und zwar in Draufsicht auf die Enden der Wellen gesehen im Uhrzeigersinn.
Sie können
auch beide im Gegenzeigersinn laufen. Jedenfalls ist der Umlauf
in ein- und demselben Drehsinn vorteilhaft.
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Die
Scheiben dienen der Filtration. Sie sind aus einem porösen keramischen
Material aufgebaut und weisen in ihrem Inneren Kanäle auf.
Die Kanäle
stehen mit den Innenräumen
der Hohlwellen 1, 1' in
leitender Verbindung.
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Durch
den Einlaß 10.1 gelangt
das zu behandelnde Medium in den Innenraum des Behälters 10.
Das Filtrat/Permeat tritt sodann durch die Poren des keramischen
Materiales in die genannten Kanäle
und gelangt von dort aus in den Innenraum der beiden Hohlwellen 1, 1'. Es tritt sodann
an den oberen Enden der Hohlwellen aus – siehe die beiden nach oben
weisenden Pfeile.
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Was
nicht durch die Poren des Keramikmateriales hindurchzudringen vermag,
gelangt als Retentat zum Auslaß 10.2 des
Behälters 10.
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Bei
der in 3 gezeigten Ausführungsform sind drei Wellen
mit drei Scheibenpaketen dargestellt. Auch hier laufen die Scheiben
im selben Drehsinn um. Es könnte
aber auch ein gegenläufiger
Drehsinn gewählt
werden.
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Die
Drehzahlen der aus Wellen und Scheiben bestehenden Pakete können variabel
sein, den Bedürfnissen
des Produktes angepaßt.
Sie liegen vorzugsweise im Drehzahlbereich zwischen 10 und 1000
U/min.
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Alle
Pakete laufen in ein- und demselben Drehsinn um. Maßgeblich
ist dabei die Differenzgeschwindigkeit, die zwei einander gegenüberliegende
Flächenelemente
zweier Scheiben im Überlappungsbereich
aufweisen. Diese Differenzgeschwindigkeit kann im Bereich zwischen
1 und 20 m/s liegen. Am besten liegt sie zwischen 2,5 und 7 m/s.
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Die
Scheiben können
klassische Filterscheiben sein, aufgebaut aus einem porösen keramischen
Material. Es kann sich aber auch um hohle Siebkörper handeln. Schließlich können wenigstens
einzelne der Scheiben als sogenannte Dummy-Scheiben ausgebildet
sein.
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Die
Scheiben der einzelnen Scheibenpakete können aus unterschiedlichen
Filtermedien aufgebaut sein, die bezüglich ihres Materiales oder
ihrer Abscheideraten voneinander verschieden sind. Dies gilt sowohl innerhalb
einer Kammer, als auch von einer Kammer zur anderen.
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Zur
Verarbeitung großer
Volumina sowie zur Realisierung einer kontinuierlichen Betriebsweise
können mehrere
Vorrichtungen parallel zueinander und/oder in Serie geschaltet werden.
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Weitere
erfindungsgemäß bevorzugt
einsetzbare rotierende keramische Filtrationsmembranen sind solche,
die auch in den unter dem Handelsnamen RotoStream® von
der Firma Canzler GmbH, Düren,
beziehungsweise von der Fa. Andritz, Graz, vertriebenen Vorrichtungen
verwendet werden
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Der
erfindungsgemäße Einsatz
von auf rotierende Hohlwellen montierten Membranscheiben vermindert
Membranverschmutzung ebenso wie den in Rohrmodulen typischen Energieverbrauch
in den Fließkanälen und
Kanaleinlässen.
Durch den Selbstreinigungsef fekt wird die Verblockung der Membran
ohne hohen Energieeinsatz zur Erzeugung von hohen Cross Flow Geschwindigkeiten
reduziert.
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Bei
den herkömmlichen
in der Industrie eingesetzten Cross Flow Membransystemen wird das
Leistungsverhalten häufig
aufgrund von Membranverschmutzung oder Deckschichtbildung auf der
Membranoberfläche
beeinträchtigt.
Dies führt
zur Reduzierung der Permeatrate. Zweckmäßiger Weise wird die Dicke
des laminaren Überströmbereiches
an der Membranoberfläche
durch Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit des
Speiseproduktes entlang der Membranoberfläche verringert. Jedoch werden
hierbei ein hoher Zirkulationsstrom und hoher elektrischer Energieverbrauch
für die
Zirkulationspumpen benötigt.
Ansteigende Konzentrationen bewirken in der Regel auch eine Zunahme
der Produktviskosität.
Somit wird der Energieaufwand zusätzlich erhöht, besonders wenn große Flüssigkeitsvolumen
mit hohen Geschwindigkeiten entlang der Membran gepumpt werden.
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Die
oben genannten Nachteile werden durch die dynamische Cross Flow
Membranfiltration, zum Beispiel durch eine Filtration nach dem RotoStream® Prinzip
vermieden.
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Hierbei
sind Membranscheiben auf rotierenden Hohlwellen montiert. Die Scheiben
auf den nebeneinander liegenden Wellen überlappen sich. Das Speiseprodukt
wird entlang der Außenoberfläche der
Scheiben geführt.
Permeat tritt durch die Membran in das Innere der Scheiben, die
Stützkonstruktion,
ein und wird über die
Hohlwelle abgeführt.
Die Stützkonstruktion
gibt den Scheiben die notwendige mechanische Stabilität. Es gibt
nur einen kleinen Strömungswiderstand
für das
Permeat beim Eindringen in die Hohlwelle.
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Einerseits
wird eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen der Scheibenoberfläche und
der Flüssigkeit
während
der Rotation (Cross Flow Geschwindigkeit) erzeugt. Andererseits
entstehen extrem starke Turbulenzen an den Überlappungszonen der Membranen.
Da die Produktstromgeschwindigkeit im Inneren des Modulgehäuses klein
ist, bleibt der entsprechende Druckverlust ebenfalls klein, und
der transmembrane Druck (TMP – transmembrane
pressure) ist über
alle Membranscheiben sehr gleichmäßig.
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Zwei
unterschiedliche Zonen sind aktiv: die Permeationszone, in der die
Scheiben nicht überlappen und
die Selbstreinigungszone, in der die Deckschicht über den
Reinigungseffekt der hohen Cross Flow Geschindigkeit hinaus weiter
aufgebrochen wird. Somit wird die Deckschichtdicke durch die Rotationsgeschwindigkeit
kontrolliert.
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Die
vorliegende Erfindung weist somit eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem
Stand der Technik auf:
- • Der Cross Flow-Reinigungseffekt
und der TMP sind von einander unabhängig einstellbar.
- • Wegen
des kleinen Druckverlusts im System werden Druckgehäuse und
Hochdruckpumpen meist nicht benötigt.
- • Ebenso
herrscht ein gleichmäßiger TMP über alle
Membranscheiben.
- • Hochviskose
Fluide können
behandelt werden.
- • Elektrische
Energieersparnis von ca. 70–80%
(im Vergleich zu Rohrmembranen).
- • Geringer
Platzbedarf.
- • Produktion
muss seltener für
Reinigung unterbrochen werden.
- • Lange
Betriebszeiten bei gleichbleibend hoher Permeatrate.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
einer Vorrichtung gemäß der Lehre
der
WO 02005935 A2 oder
der
DE 100 19 672
A1 , oder einer Vorrichtung, die unter dem Handelsnamen RotoStream
® von
der Firma Canzler GmbH, Düren,
beziehungsweise von der Fa. Andritz, Graz, vertrieben wird, zur
Abtrennung und Aufkonzentrierung von Biomasse aus einer Fermentationsbrühe mittels
dynamischer Cross Flow Filtration (Querstromfiltration)
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Das
folgenden Beispiel erläutert
die Erfindung, ohne sie jedoch darauf einzuschränken:
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Beispiel 1:
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- Abtrennung von Biomasse und simultane Proteinextraktion
aus dem Konzentrat einer Zentrifugenvorkonzentrierungsstufe.
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- 1. Die Laboranlage umfasst zwei Wellen mit
gleicher Drehrichtung und 0,136 m2
- 2. Schergeschwindigkeit 6,5 m/s
- 3. Transmembrandruck 0,5 bar
- 4. Temperatur 35°C
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Es
wurde eine Diafiltration mit Wasser durchgeführt Ergebnisse:
Start: | Trockensubstanz-Gehalt
12,9%, | Sedimentgehalt
83,2% |
Ende: | Trockensubstanz-Gehalt
14,9%, | Sedimentgehalt
96,8% |
| Protein
Ausbeute 69,8% | |