Die Enzymherstellung ist stark von der nachgelagerten Aufarbeitung abhängig . Nach Abschluss der Fermentation müssen die Verarbeiter das gewünschte Enzymprodukt isolieren, konzentrieren und reinigen, bevor es weiter aufbereitet oder getrocknet werden kann. Hierbei spielen Membranen eine entscheidende Rolle.
In vielen Enzymproduktionsanlagen werden Spiralwickelmembranen eingesetzt, um die gewünschten Enzymprodukte von unerwünschten Substanzen zu trennen und gleichzeitig den Produktstrom für die Weiterverarbeitung zu konzentrieren. Ultrafiltrations- (UF) und Nanofiltrationsmembranen (NF) werden üblicherweise anhand der Molekulargewichte der beteiligten Substanzen ausgewählt.
Die Herausforderung besteht darin, dass die Ströme nach der Fermentation naturgemäß einen hohen Anteil an organischen Stoffen aufweisen. Herkömmliche Membranen stoßen unter diesen Bedingungen häufig an ihre Grenzen, was zu Fouling, instabilem Fluss, aufwendiger Reinigung und verkürzter Membranlebensdauer führt. Mit sinkender Membranleistung wird die Produktivität des gesamten nachgelagerten Prozesses beeinträchtigt.
Für Enzymhersteller, die kontinuierliche oder großtechnische Fermentationssysteme betreiben, ist die Membranproduktivität direkt mit der Anlageneffizienz verknüpft.
Warum Ablagerungen Probleme bei der nachgelagerten Verarbeitung verursachen
Bei der Enzymherstellung führt Fouling nicht nur zu einer Reduzierung des Membranflusses, sondern auch zu Betriebsinstabilität in nachgelagerten Prozesssystemen. Durch die Ansammlung organischer Stoffe an der Membranoberfläche bilden sich Gelschichten. Konventionelle Membranen neigen in solchen Umgebungen, insbesondere während der Konzentrationsschritte, zu schnellem Fouling. Im Laufe der Zeit beobachten Verarbeiter häufig Folgendes:
- Abnehmender Betriebsfluss
- Häufigere Reinigungen
- Längere Reinigungsprogramme
- Erhöhter Chemikalien- und Wasserverbrauch
- Mehr Pausen zwischen den Läufen
Auch die Reinigungsprogramme selbst werden komplexer als zunächst angenommen. Ein „vierstufiges“ Reinigungsprogramm kann sich schnell auf zehn oder mehr Schritte ausweiten , sobald Spülvorgänge einbezogen werden. Jeder zusätzliche Reinigungsschritt erfordert Chemikalien, Frischwasser, Abwasseraufbereitung, Pumpen, Umwälzung und Arbeitszeit.
Für Biotechnologie- und Enzymhersteller ist dieser Zeitverlust von Bedeutung. Jede Stunde, die mit Reinigen verbracht wird, ist eine Stunde, die nicht für die Produktion genutzt werden kann.
Membranen zur Enzymkonzentration und -reinigung
Nach der anfänglichen Feststoffentfernung und Vorbehandlung werden Membranen üblicherweise zur Konzentration und Reinigung von Enzymströmen bei der nachfolgenden Verarbeitung eingesetzt.
Je nach Trennziel können Verarbeiter UF- oder NF-Membranen verwenden, um:
- Enzyme konzentrieren
- Gewünschte Produkte von unerwünschten Arten trennen
- Verbesserung der Reinigungseffizienz
- Bereiten Sie Wasserströme zum Polieren oder Trocknen vor
Konventionelle Ultrafiltrationsmembranen basieren häufig auf Polyethersulfon (PES), während konventionelle Nanofiltrationsmembranen typischerweise auf Piperazin-Polyamid basieren. Diese Membranzusammensetzungen sind seit Jahrzehnten weitgehend unverändert geblieben.
Evolution-Membranen wurden anders entwickelt. Sie verfügen über eine patentierte zwitterionische Chemie, die entwickelt wurde, um irreversible organische Ablagerungen in Prozessströmen mit hohem organischem Anteil zu verhindern.
Wie zwitterionische Membranen die Enzymverarbeitung verbessern
Evolutionsmembranen bilden eine extrem hydrophile Oberfläche, die organische Verbindungen aktiv verdrängt oder abstößt, sodass diese nicht an der Membran haften und sie verschmutzen können.
Durch die Minimierung der Gelschichtbildung an der Membranoberfläche erzielen Evolution-Membranen einen höheren nachhaltigen durchschnittlichen Fluss im Vergleich zu herkömmlichen Membranen. Die Membranen regenerieren sich zudem während der Reinigung effektiver, selbst nach der Konzentration von Strömen, die Standardmembranen schnell verschmutzen würden.
Für Enzymhersteller ergeben sich daraus mehrere betriebliche Vorteile:
- Höherer nachhaltiger Betriebsfluss
- Stabilerer Membranbetrieb
- Längere Produktionsläufe
- Einfachere Reinigungsprogramme
- Schnellere Reinigungswiederherstellung
Das Ergebnis ist eine besser vorhersagbare Leistung bei der nachgelagerten Verarbeitung.
Evolution Protein Concentration Membrane (PCM)-Elemente sind als Ersatz für herkömmliche 5–30 kDa UF-Membranen in Konzentrationssystemen, einschließlich Anwendungen zur Enzymkonzentration, konzipiert. Evolution Superfiltration (SF)-Membranen sind als Ersatz für herkömmliche „Tight-UF“- und „Open-NF“-Membranen in Anwendungen mit hohem Feststoffgehalt vorgesehen.
Da Evolution-Membranen herkömmliche Membranprodukte direkt ersetzen können, lassen sie sich von Verarbeitern ohne Systemmodifikationen einsetzen.
Stabiler Materialfluss bedeutet höhere Produktivität
Bei der Weiterverarbeitung ist eine stabile Membranleistung oft genauso wichtig wie eine maximale Membranleistung.
Eine Membran kann anfangs einen hohen Fluss aufweisen, doch wenn Ablagerungen den Betriebsfluss rasch verringern, leidet die Gesamtproduktivität. Die Reinigungsintervalle erhöhen sich, die Ausfallzeiten steigen und der Betrieb der Systeme wird schwieriger vorhersehbar.
Evolution-Membranen sind so konzipiert, dass sie durch die Verhinderung irreversibler organischer Ablagerungen einen stabileren Durchfluss über einen längeren Zeitraum gewährleisten. Durch die Minimierung von Ablagerungen und die Aufrechterhaltung der Reinigungsfähigkeit können Verarbeiter längere Produktionsläufe zwischen den Reinigungsintervallen realisieren und gleichzeitig eine besser vorhersagbare Systemleistung erzielen.
Dies wirkt sich direkt auf die Produktivität aus. Ein höherer nachhaltiger Durchschnittsfluss ermöglicht es den Verarbeitern, mit den vorhandenen Anlagen mehr zu produzieren und gleichzeitig Unterbrechungen durch Membranverschmutzung zu reduzieren.
Vereinfachte Reinigungsprogramme bringen auch messbare betriebliche Vorteile mit sich. Durch den Wegfall von Reinigungsschritten reduzieren Verarbeitungsbetriebe den Chemikalienverbrauch, den Frischwasserbedarf, das Abwasseraufkommen und reinigungsbedingte Ausfallzeiten.
Ein besser vorhersagbarer Ansatz für die nachgelagerte Verarbeitung
Da die Enzymherstellung in den Bereichen Lebensmittel, Pharmazeutika und industrielle Biotechnologie immer weiter ausgebaut wird, gewinnt die Effizienz der nachgelagerten Verarbeitungsprozesse zunehmend an Bedeutung.
Membranen spielen bereits eine zentrale Rolle bei Konzentrations- und Reinigungsvorgängen, doch die Stabilität und Reinigungsfähigkeit der Membranen bestimmen oft, wie effizient diese Systeme langfristig arbeiten.
Durch ihre Beständigkeit gegenüber organischen Ablagerungen und die Minimierung der Gelschichtbildung helfen Evolution-Membranen Enzymherstellern, einen stabilen Fluss aufrechtzuerhalten, Reinigungsprogramme zu vereinfachen und die Gesamtproduktivität in nachgelagerten Verarbeitungssystemen zu verbessern.
Für Biotechnologieunternehmen, die hochorganische Fermentationsströme verarbeiten, geht es bei der Membranleistung nicht mehr nur um die Trenneffizienz. Vielmehr geht es um einen stabilen Betrieb, die Reduzierung von Ausfallzeiten und die Schaffung eines insgesamt besser planbaren Herstellungsprozesses.
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