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ePaper created 2017-03-14, 09:55:24 | version 1.49.03
CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE 3. Fraktion 2. Stufe 2. Fraktion 1. Stufe Stoffgemisch 2 1. Fraktion 1 FREE-FLOW-ELEKTROPHORESE – ENTWICK- LUNGEN FÜR DIE INDUSTRIELLE UMSETZUNG L ea König, Ma x imilian Kot zur, T homas S cherer Stofftrennung im elektrischen Feld Die Free-Flow-Elektrophorese (FFE) ist ein kontinuierliches Verfahren, das ursprünglich aus der Analytik stammt. Es dient der selektiven Trennung beziehungsweise Fraktionierung eines Gemisches gelöster oder suspendierter Komponenten, die eine Ladung tragen. Mit FFE können zahlreiche Stoffklassen adressiert werden. Die Spanne reicht von Metallionen wie Gold über organische Stoffe und Proteine bis hin zu Zellorga- nellen und partikulären Stoffen. Somit sind die Einsatzmög- lichkeiten äußerst vielfältig. Aber die Free-Flow-Elektrophore- se hat noch weitere Vorteile wie exzellente Ausbeuten oder eine extrem hohe Selektivität und Reinheit bei vergleichsweise niedrigem Chemikalieneinsatz. Verfahren nach dem bisheri- gen Stand der Technik wie Chromatographie oder Extraktion sind oft sehr aufwendig bzw. erfordern zahlreiche Stufen und einen intensiven Chemikalieneinsatz, um eine vergleichbare Produktqualität zu erzielen. Am Fraunhofer IGB werden Entwicklungen verfolgt, um das FFE-Verfahren industriell in großtechnischem Maßstab anwenden zu können. Wirkprinzip Die zu separierenden Stoffe werden beim FFE-Verfahren direkt in einen Pufferstrom gegeben, welcher laminar durch die Prozesskammer strömt. Durch das senkrecht zur Fließrichtung angelegte elektrische Feld erfahren die geladenen Stoffe eine ablenkende Kraft und migrieren entlang der Feldlinien. Die Migrationsrichtung (zur Anode oder Kathode) und -geschwin- digkeit eines Stoffes hängen von der stoffspezii schen, elek- trophoretischen Mobilität (Symbol µ) ab. Dadurch erfahren unterschiedliche Stoffe unterschiedliche Ablenkung quer zu ihrer Strömungsrichtung und können an einem Auslassgitter in verschiedene Fraktionen separiert werden. 8 4 Herausforderungen Die elektrophoretische Mobilität eines Stoffes hängt von diversen Parametern ab, die nicht alle unmittelbar bestimmt werden können. Sie kann nur empirisch in einer FFE-Zelle (Abb. 1) unter erheblichem Aufwand bestimmt werden (Abb. 4, links). Hierfür ist der Betrieb der FFE-Zelle, die Analyse zahlreicher Fraktionen, die Ermittlung der Migrationsstrecke der Produktfraktion und, auf Basis dieser Strecke, die Berech- nung der elektrophoretischen Mobilität notwendig. Für die industrielle Umsetzung ist die Kenntnis der Mobilität allerdings grundlegend für die Prozessplanung und Dimensionierung sowie für die Auslegung von Anlagen. Darüber hinaus müssen dafür weitere maßgebliche Prozessparameter, wie Verweilzeit oder elektrische Feldstärke, bestimmt und optimiert werden. Entwicklungsstrategie Unter anderem hängt die elektrophoretische Mobilität maßgeblich von der Ladung und Größe eines Stoffes ab. Besonders ähnlich sind sich hinsichtlich dieser Eigenschaften die Lanthanoide. Sie dienen daher dem Fraunhofer IGB als Benchmark für die Identii kation maßgeblicher Parameter zur Prozess- und Anlagenauslegung. Des Weiteren wurde am Fraunhofer IGB eine Methode zur Berechnung der elek- trophoretischen Mobilität auf Basis von Ex-situ-Messungen eines Summenparameters (außerhalb der FFE-Zelle) entwickelt (Abb. 4, rechts). Die Methode erlaubt es, diesen essenziellen Prozessparameter mit sehr geringem Aufwand zu bestimmen und zur Prozessplanung und Dimensionierung sowie Ausle- gung von Anlagen zu verwenden.