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Merz 28062012 - A Contribution to Design Foam

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Text 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