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Membran- und Filtrationsanlagenhersteller:
- Sartorius AG
- Berghof Filtrationsanlagen
- Microdyn-Nadir
- Advantec
- Meissner
- Pall
- Applied membranes
- Danish Separation Systems
- Macherey-Nagel
- Membrana; Membrane für die Biomedizin
- IBMEM
Anwendungen: - GKSS Forschungszentrum
- Filterhomepage; Filter aus aller Welt, nicht nur für die Biotechnologie
- Filtrationsnews
- Membranentwicklungen am Fraunhofer IGB
Membranverfahren in der Biotechnologie - Schwerpunktthema September 2002:
Membranverfahren werden in der Bioverfahrenstechnik beginnend mit der Zellabtrennung aus einer Fermentationsbrühe bis hin zur abschließenden Feinreinigung des Endproduktes verwendet.
Bei Membranverfahren handelt es sich um die druckgesteuerte Trennung einzelner Komponenten aus einer Lösung oder einer Suspension. Bei der Trennung werden in der Regel Unterschiede in der Größe, der Ladung oder der Form der zu trennenden Partikel oder Moleküle genutzt. Da der Prozess über den Druck gesteuert wird, sind Membranverfahren in Hinblick auf thermischen Stress oder Veränderung der chemischen Umgebung sehr schonend und daher auch für empfindliche Verbindungen geeignet. Die Prozesse verhalten sich meist einfach im Scale-up, da gleiche Materialen und Konfigurationen verwendet werden können, was eine Validierung der Prozesse erheblich vereinfacht. Membranprozesse sind in ihrer Selektivität allerdings sehr beschränkt. Proteinfraktionierungen können nur dann erreicht werden, wenn ausreichende Unterschiede in Größe und/oder Ladung vorliegen. Dabei muss daran gedacht werden, dass ein unterschiedliches Molgewicht nicht zwangsläufig eine unterschiedliche Größe bedeutet. Die Größe wird entscheidend durch Faltung, Ladung und Hydrathülle bestimmt. So können Proteine, die sich im Molgewicht um den Faktor zehn unterscheiden, aufgrund unterschiedlicher Faltung sich in der Größe lediglich um den Faktor drei unterscheiden. Daher wurden in letzter Zeit neue Membrantypen entwickelt, die nicht nur diese grobe Unterscheidung nach der Größe treffen können. Funktionelle Membranen können Moleküle anhand ihres chemischen Verhaltens selektiv binden. Über diese Verfahren wird eine Prozessintegration der Downstream-Schritte erheblich vereinfacht.
In den vergangenen 30 Jahren sind eine Vielzahl von Prozessen entstanden, die zur Abtrennung und Fraktionierung von Molekülen verwendet werden können. Diese Verfahren können in vier Hauptgruppen unterteilt werden:
Reverse Osmose (Hyperfiltration)(RO)
Nanofiltration (NF)
Ultrafiltration (UF)
Mikrofiltration (MF)
Die Verfahren der Reversen Osmose (RO) und der Nanofiltration (NF) werden angewendet, wenn man niedermolekulare Verbindungen wie Salze, Zucker oder Aminosäuren aus einer Lösung abtrennen möchte. Bei der Reversen Osmose werden auch einwertige Ionen wie Na+ oder Cl- zurückgehalten. RO-Membranen weisen allerdings einen deutlich geringeren Fluss als NF-Membranen auf. Anwendungen finden diese Verfahren bei der Aufkonzentrierung von Proteinlösungen.
Ultrafiltration(UF)-Membranen haben eine Porengröße zwischen 1 nm und 0,05 µm. Sie werden typischer Weise für die Abtrennung von Makromolekülen und Kolloiden aus einer Lösung verwendet. Das Trennverhalten dieser Membrantypen wird nicht über die Porengröße angegeben, sondern über den sogenannten "Molecular Weight Cut-Off" (MWCO). Der MWCO-Wert gibt das Molekulargewicht an, für das die Retention 90% beträgt. Aufgrund der oben genannten Gründe ist dieser Wert nicht als Absolutwert anzusehen. Neben den Faktoren Faltung und Ladung haben auch Interaktionen der Moleküle mit der Membran und die chemische Umgebung Einfluss auf das Trennverhalten einer UF-Membran. Aus diesen Gründen kann ein Trennproblem nur empirisch gelöst werden.
Mikrofiltration(MF)-Membranen haben eine Porengröße zwischen 0,05 µm und 10 µm. Sie werden benutzt, um Kolloide und Partikel von gelösten Bestandteilen abzutrennen. Die gebräuchlichsten Anwendungen sind die Sterilfiltration, Zellernte oder Reinwassergewinnung. Hydrophobe MF-Membranen werden zur Sterilfiltration von Gasen (z. B. Belüftung von Bioreaktoren) verwendet.