Mit Klimazonen zum Peak

In der Natur treten gewisse Substanzen, wie Antikörper oder Proteine, stets in Form von Stoffgemischen auf, aus denen die Reinform aufwändig herausgefiltert werden muss, damit sie für die weitere Verwendung in Chemie, Pharmazie und Biotechnologie bereitstehen. Ziel ist es, solche Substanzen möglichst nachhaltig und effizient aus dem Gemisch zu isolieren.

Stand der Technik

Für die Trennung flüssiger Stoffgemische hat sich die Adsorptionschromatografie bewährt. Hierbei wird eine sogenannte Festbettsäule aus Glas mit einem Sorptionsmaterial gefüllt, an das sich die Zielsubstanz beim Durchströmen der Säule bindet (Sorption). Durch Änderung des chemischen Milieus mittels Zugabe eines Elutionsmittels löst sich die Zielsubstanz wieder (Desorption) und kann in gereinigter, konzentrierter Form gewonnen werden. Bisher werden dabei jedoch große Mengen an Chemikalien für Wasch- und Elutionsschritte benötigt.

Technologie

Wissenschaftler des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am KIT schaffen mit einem weiterentwickelten Trennverfahren Abhilfe. Es folgt dem gängigen Chromatografieprinzip, vermeidet jedoch zusätzliche Chemikalien und erreicht eine signifikant bessere Trennleistung durch thermoresponsive Sorptionsmaterialien in Kombination mit einer wandernden Temperierzone um die Sorptionssäule. Optimale Bedingungen gewährleistet dabei eine die Säule umschließende, temperaturgeregelte Kammer. Das gelöste Stoffgemisch wird kontinuierlich in die Säule gepumpt und die Zielsubstanz am Sorbens gebunden. Während dieses Vorgangs wird zyklisch eine lokale Temperaturerwärmung oder -kühlung zugeschaltet. Diese Klimazone wird schrittweise in Fließrichtung verschoben, jedoch langsamer als die Durchflussgeschwindigkeit selbst: In der Klimazone setzt die Desorption ein, wodurch sich ein Konzentrationshoch (Peak) bildet, das außerhalb der Klimazone zu einer Erhöhung der sorbierten Menge an Zielsubstanz führt. Mit dem Aufrücken der Zone wiederholt sich dieser Prozess – bis zum Auslauf der Festbettsäule. Durch die mehrmalige Sorption und Desorption bildet sich eine scharf abgegrenzte Konzentrationsfront, die am Säulenende abgeleitet werden kann, während am Zulauf weiterkontinuierlich zugepumpt wird.

Vorteile

Das Verfahren folgt dem gängigen Chromatografieprinzip, vermeidet jedoch zusätzliche Chemikalien und erreicht eine signifikant bessere Trennleistung durch thermoresponsive Sorptionsmaterialien in Kombination mit einer wandernden Temperierzone um die Sorptionssäule.

Optionen für Unternehmen

Am Institut ist eine prototypische Anlage in Betrieb. Das KIT sucht Partner zur Weiterentwicklung und zum Einsatz der Technologie.