Institut für Bio- und LebensmitteltechnikLebensmittelverfahrenstechnik

DFG-SPP: Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Auswirkung von Kavitation und strömungsbedingten Kollisionen auf die Aggregatbildung und den Aktivitätsverlust nach dem Zellaufschluss im Hochdruckhomogenisator am Beispiel der Modellsysteme Lipase

Kurzbeschreibung

Die Hochdruckhomogenisation ist Stand der Technik für den Zellaufschluss zur Gewinnung von Enzymen und Proteinisolaten aus pflanzlichen Quellen. Hierbei wird die Zellsuspension unter hohen Drücken durch eine Zerkleinerungseinheit entspannt und so hohen Belastungen ausgesetzt, die zum Aufbruch der Zellen führen. Als Zerkleinerungseinheit werden beispielsweise Flachventile oder, vor allem im Pharmabereich, Lochblenden eingesetzt. Zentrales Merkmal der Zerkleinerungseinheiten ist eine deutliche Querschnittsverringerung und damit die Beschleunigung des Mediums. Das Medium ist im Verlauf der Durchströmung verschiedenen Belastungen ausgesetzt: am Einlauf der Zerkleinerungseinheit treten v.a. Dehnspannungen auf, in der engsten Stelle dagegen v.a. Scherspannungen. Im Nachlauf herrschen Scher- und turbulente Trägheitskräfte vor. Durch die starke Querschnittsverringerung kann außerdem Kavitation auftreten. Die Implosion der Kavitationsblasen im Nachlauf kann zwar zum Zellaufschluss beitragen, ist meist aber auch negativ zu bewerten, da Gasblasen und Feststoffnanopartikel durch Abrieb in das System eingetragen werden. Als Folge kann es an den neu gebildeten Grenzflächen zur reversiblen Auffaltung der Proteine kommen. Einmal aufgefaltete Proteine können bei Kollision aggregieren, was zum Verlust der Enzym- oder Proteinaktivität führt.
Ziel des Projektes ist es, Grundlagen zu legen, um intrazellulär gebildete Enzyme und Proteine mit deutlich geringerem Aktivitätsverslust per Zellaufschluss im Hochdruckhomogenisator zu gewinnen. Dafür muss nach aktuellem Stand der Forschung zum einen Kavitation weitestgehend unterdrückt werden, um das Entstehen von Grenzflächen zu verhindern. Zum anderen sollte die Konzentration der gewonnenen Enzyme bzw. Proteine möglichst schnell verringert werden, um die Kollisionsraten zu reduzieren. Dies kann durch ein „Simultanes Homogenisieren und Mischen (SHM)“ realisiert werden. Dieser Prozess stellt eine Weiterentwicklung der Hochdruckhomogenisation dar, bei dem im Nachlauf der Zerkleinerungseinheit zusätzlich ein Mischstrom zugeführt wird. Im Projekt wird diese Technologie genutzt, um die grundlegende Hypothese zu untersuchen, dass durch eine schnelle lokale Senkung der Konzentration der gewonnenen Enzyme und Proteine und Verringerung der Kavitation eine Aggregation der gewonnenen Bioaktivstoffe verhindert und so deren Aktivität erhalten werden kann. Zunächst werden mithilfe einer experimentellen optischen Methode Kombinationen aus Geometrie- und Prozessparametern identifiziert, bei denen keine bzw. sehr intensive Kavitation auftritt. Außerdem werden numerische Methoden zur Berechnung der Kollisionsraten bei verschiedenen Prozessführungen entwickelt. Diese Methoden werden genutzt, um Versuchsanlagen auszulegen, mit der die Hypothese geprüft werden kann. Im Anschluss daran wird die Verringerung des Aktivitätsverlustes durch eine geeignete Prozessführung des SHM-Prozesses anhand von Modellproteinen validiert.