Wenn´s zäh wird

Membranfiltration in biotechnologischen Prozessen

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02.10.2009 Sowohl das Filtern bei hoher Feststoffkonzentration und hoher Viskosität in biotechnologischen Prozessen als auch das Reinigen der Filtermodule sind anspruchsvolle Aufgaben. Ein neues Filtermodul vermeidet die Nachteile von Ultrafiltrationsmodulen punktet mit den Vorteilen der Kassettentechnik.

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Üblicherweise werden zum Konzentrieren von hochviskosen Medien oder zum Abtrennen von niedermolekularen Bestandteilen Ultrafiltrationsmembranen eingesetzt. Diese Technik hat sich aufgrund hoher Produktausbeuten und -reinheit durchgesetzt. Hierbei überströmt das Medium, der sogenannte Feed, eine Ultrafiltrationsmembran. Durch Druck zwischen 2 und 7bar werden Flüssigkeit und kleinere Partikel durch die Membran gedrückt, während größere Partikel zurückbleiben. Konzentration und Viskosität des Medium steigen.

Der Anstieg an Viskosität und Konzentration kann die Feedkanäle verblocken und das Moduls extrem mechanisch belasten. Obwohl es unterschiedliche Geometrien von Membranen und Membranmodulen gibt, sind bei genauerer Prüfung kaum Modultypen für den Einsatz in hochviskosen Medien in biotechnologischen Prozessen kompromisslos geeignet. Dafür entwickelte ein Hersteller ein auf der Kassettentechnologie basierendes System, welches die Vorteile bisheriger Kassettenmodule ohne deren Nachteile aufweist. Zudem wurde die Membranfläche auf 10m² vergrößert.

Kassettensystem nun auch rückspülbar

Bereits bei der Fertigungstechnik hat der Hersteller auf eine möglichst rationelle Produktion geachtet, um das Modul für einen breiten Bereich der biotechnologischen Prozesse kommerziell interessant zu gestalten. Gleichzeitig wurde Wert darauf gelegt, dass die Module einfach zu handhaben und zu reinigen sind. So ist die Membran auf der Textilstruktur, welches das Permeat abführt, auflaminiert. Das erlaubt Reinigungsmittel von der Permeatseite einzutragen und erhöht die mechanische Stabilität der Konstruktion. Somit können die Chemikalien an der Membran wirken und den Permeatraum desinfizieren. Diese Rückspülbarkeit ist für Kassettensysteme ein Novum. Im An- und Abströmungsbereich wurde eine Form gewählt, wie sie auch in Plattenwärmetauschern üblich ist. So kann die Kassette vollständig entleert werden und lassen sich die definierten Kanäle gleichmäßig anströmen. Damit die Kassette unterschiedliche Viskositäten handhaben kann und trotzdem kompakt bleibt, wird sie mit drei unterschiedlichen Feedkanalhöhen angeboten: 0,75, 1,0 und 1,5cm.

Filtration und Konzentration – Anwendung in Fermenationsprozessen

Die einfache Handhabung der Filter ist wichtig, um ein System sicher zu betreiben und um den Modulwechsel ohne lange Anlagenstillstände durchführen zu können. Der Filterrahmen erinnert an Plattenwärmeübertrager und besteht aus bis zu zwölf Modulen. Die Module sind dabei durch Dichtplatten miteinander verbunden. In diese Dichtplatten sind hierzu hygienische Lippendichtungen eingebaut, die Permeatraum und Retentatraum sicher trennen. Sowohl die Dichtplatten als auch die Filtermodule hängen an einer Schiene und werden durch Druckplatten zusammengepresst. Zusätzliche Umlenkplatten führen das Konzentrat so, dass die Module gleichmäßig überströmt werden. Die Anlage kann modular und fast beliebig groß gebaut werden, wobei die Kassettenmodule in allen Konzentrationsschritten eingesetzt werden können.

Höhere Ausbeute möglich

Als besonders interessante Anwendung gilt die Aufarbeitung von Fermentationsprodukten. Heute werden die Produkte nach dem Abtrennen der Zellreste aus der Fermentation häufig mit Wickelmodulen durch Diafiltration gereinigt. Anschließend wird das Produkt in Platten-Rahmen-Systemen aufkonzentriert. Das Kassettensystem könnte hier sowohl zur Diafiltration als auch zur anschließenden Konzentration eingesetzt werden. So wäre eine kompaktere multifunktionale Anlage möglich.

Eine erste Anwendung in der das Modul eingesetzt wird, ist die kontinuierliche Käseherstellung. Hierbei soll das Modul dem Konzentrieren der Proteine bis zu einer Trockenmasse von 30 bis 50% dienen. Bei diesem Prozess werden Viskositäten von 30cP erreicht, die filtriert werden müssen. Mit dieser Verfahrensweise steigt die Produktqualität und die Käseausbeute um bis zu 10%.

Fazit:Mit dem Kassettensystem braucht der Anwender bei der Filtration von viskosen Medien keinen Kompromiss mehr einzugehen oder verschiedene Modulformen zu integrieren. So sind kompakte, multifunktionale Anlagen möglich, die das Produkt gleichzeitig reinigen und konzentrieren.

Heftausgabe: Oktober 2009
Dr. Jens Lipnizki , Sales Specialist Pharmaceutical & Fine Chemicals, Microdyn Nadir

Über den Autor

Dr. Jens Lipnizki , Sales Specialist Pharmaceutical & Fine Chemicals, Microdyn Nadir

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