Querschnitt Aufarbeitungstechnologien

In der Natur liegen die meisten organischen und anorganischen Stoffe, die der Mensch als Ausgangssubstanzen für Produkte gewinnt, als Stoffgemische vor. Auch bei der chemischen Synthese entstehen in der Regel Stoffgemische oder Produkte, die mit Nebenprodukten verunreinigt sind. Eine Schlüsselaufgabe bei den meisten Prozessen in Chemie und Biotechnologie ist daher die Abtrennung von Molekülen aus Gemischen, entweder zur Gewinnung oder Aufreinigung von Stoffen oder zur Entfernung störender Nebenprodukte.

Das Fraunhofer IGB hat eine breite Palette verschiedenster Trennverfahren etabliert und hält entsprechende Apparate und Anlagen sowohl im Labor- als auch im Pilotmaßstab vor. Membran- und Adsorptionsverfahren, elektrophysikalische und thermische Verfahren, aber auch Kristallisations-, Extraktions- und Chromatographieverfahren werden im Rahmen eigener Forschungsarbeiten ständig weiterentwickelt und für verschiedene Anwendungen optimiert.

Ein Alleinstellungsmerkmal unseres Instituts ist die Möglichkeit, diese Verfahren – ggf. mit anderen klassischen Verfahren wie Zentrifugation oder Flotation – flexibel zu kombinieren und in Prozessketten zu integrieren. Dieses Know-how kann auch zur Behandlung von Wasser, für das Recycling oder in der Lebensmitteltechnologie genutzt werden.

Etablierte Trennverfahren

Membranverfahren

Am Fraunhofer IGB entwickeln wir neuartige Membranen für die Behandlung wässriger Lösungen (Membranadsorber für die Abtrennung von Mikroschadstoffen oder Schwermetallen, Membranen für die Vowärtsosmose) und für die Gastrennung (Abtrennung von O2). Außerdem arbeiten wir an der Entwicklung von Membranreaktoren, die die direkte Integration von chemischen Reaktionen mit Stofftrennungen erlauben.  

Trocknungstechnologien

Neben dem oben erwähnten Verfahren zur Trocknung mit überhitztem Wasserdampf (superheated steam drying, SHS) setzen wir weitere Trocknungstechnologien ein, wie die Trocknung mittels verschiedener Verdampfer, Gefriertrocknung und Sprühtrocknung. Am Fraunhofer IGB in Stuttgart stehen uns Laboranlagen zur Verdampfung, Gefrier- und Sprühtrocknung kleiner Mengen im Milligramm- bis Grammbereich für die Untersuchung der Machbarkeit sowie der Trocknung geringerer Mustermengen zur Verfügung. Gerne untersuchen wir kundenspezifische Substrate im Rahmen einer Machbarkeitsstudie und bieten die Trocknung von Mustermengen als Dienstleistung an.

Am Fraunhofer CBP in Leuna können wir auch größere Mengen schonend unter Vakuum eindampfen (300 L/Batch) und im Anschluss unter Vakuum weiter trocknen (30 L/Batch im Horden- bzw. 600 L/Batch im Vakuumfiltertrockner) sowie Sprühtrocknen (7,5 kg/h) oder Gefriertrocknen (24 L/Batch). Größere Trocknungskapazitäten, auch unter Hygieneanforderungen für den Lebensmittelbereich, erschließen wir dann über unser Partnernetzwerk.

Labor-Sprühtrockner
Labor-Sprühtrockner mit Zwei- und Dreistoffdüse.
Sprühtrockner
Sprühtrockner.
getrocknetes Produkt
Getrocknetes Produkt.

Stofftrennung durch elektrische Felder

Bei einer Reihe am IGB neu entwickelter Verfahren basiert die Stofftrennung auf der Wechselwirkung geladener Teilchen mit einem elektrischen Feld. Die Bewegung von Ionen und Molekülen im elektrischen Feld wird maßgeblich durch ihre Ladung und Mobilität bestimmt. Das heißt, ihre Trennung erfolgt anhand der elektrophoretischen Eigenschaften. Das IGB entwirft für unterschiedliche Anwendungen verschiedene, auf die Erfordernisse des jeweiligen Trennproblems zugeschnittene Verfahren, z. B. Free-Flow-Elektrophorese, Elektro-Membranfiltration und Elektrodialyse.

Extraktionsverfahren

Die Flüssigextraktion wird verwendet, um Wertstoffe (Biotenside, Itaconsäure, Äpfelsäure, Xylonsäure, langkettige Dicarbonsäuren, Furandicarbonsäure) aus Fermentationsbrühen zu extrahieren.

Für die Extraktion von Inhaltsstoffen aus Mikroalgen haben wir am Fraunhofer IGB die Hochdruckflüssigextraktion (pressure liquid extraction, PLE) als Batch-Hochdruckverfahren etabliert. Algeninhaltstoffe unterschiedlicher Polarität extrahieren wir dabei mit Lösemitteln oder Lösemittelgemischen entsprechender Polarität bei Temperaturen bis 150°C. Das Scale-up der Technologie wird derzeit bearbeitet.

Chromatographie-Verfahren

Fermentativ hergestellte Biotenside und Basischemikalien werden über chromatographische Verfahren aufgereinigt. Mannosylerythritollipide beispielsweise werden zunächst durch Separation und Extraktion aus der Fermentationsbrühe gewonnen. Zur Trennung von ölhaltigen Reststoffen wird das Extrakt über Chromatographie (stationäre Phase: Kieselgel, mobile Phase: Lösemittel) aufgearbeitet.

Anwendungsfelder

Downstream Processing

Eine Vielzahl der hier vorgestellten Trennverfahren setzen wir für die Aufreinigung von Produkten biotechnischer Prozesse ein.

Wasseraufbereitung

Membranfiltrations- und Adsorptionsverfahren, elektrophysikalische und auch thermische Trennverfahren haben wir für die effiziente Wasser- und Abwasseraufbereitung optimiert.

Recycling

Die Kreislaufführung von Stoffströmen und Rückgewinnung von Wertstoffen sind für uns Bestandteil eines nachhaltigen Abfallmanagements.

Lebensmittel-Technologie

Mit der Elektromembranfiltration können wir wertvolle Proteine aus Molke in funktionelle Fraktionen auftrennen.