Verfahrenstechnik Stabile und durchlässige Hülle

Mit der Säulenchromatographie können Produkte auf zweierlei Weise getrennt werden. Bei den bekannten Axialflusssäulen durchströmen die Produkte die Säule mit der Packung -axial. Bei einer alternativen Bauform durchströmen die zu trennenden Produkte die Säule aus der Mitte radial nach außen. In beiden Fällen wird eine auf die Trennaufgabe abgestimmte Packung verwendet, zum Beispiel Polysaccharid-Agarose mit Partikelgrößen von 100 bis 300 Mikrometern. Die Partikel werden möglichst homogen in die Säule eingebracht und gepresst. Die Wände müssen das oft teure Adsorbermaterial sicher in der Position halten und dem zu reinigenden Produkt möglichst wenig, vor allem aber einen gleichmäßigen Durchflusswiderstand, entgegen setzen. Diese Anforderungen sind zunächst widersprüchlich.

Aufbau von Chromatographiesäulen

Chromatographiesäulen bestehen meist aus einem undurchlässigen Druckzylinder und zwei durchlässigen Böden, die axial verspannt werden. Zwischen den Böden wird das Adsorbermaterial gehalten. Das Produkt fließt axial gleichmäßig über die Fläche verteilt hindurch. Für große Durchflussmengen werden die Säulen im Allgemeinen sehr groß und mechanisch instabil. Daher sind diese Module meist für Labor- und Kleinproduktionsverfahren vorgesehen. Anders sieht es aus, wenn die Säule doppelwandig ausgeführt wird. Das Adsorbermaterial bildet einen Hohlzylinder, den durchlässige Wände innen und außen begrenzen. Das Produkt strömt in der Mitte axial zu und aus der Mitte radial durch das Adsorbermaterial nach außen. Mit dieser Zylinderform kann man hohe Drücke auch bei großen Volumen sicher beherrschen. Die Apparate können prinzipiell eine beliebige Länge annehmen, ohne dass sich die mechanische Stabilität wesentlich verändert. Die durchströmten Querschnitte und Volumen können somit sehr groß werden.

Das Adsorbermaterial selber ist im Allgemeinen nicht löslich, hochporös und aufgrund der speziellen Struktur relativ robust. Dennoch benötigt es eine stabile Hülle, damit es sicher am Platz bleibt und während des Prozesses nicht ausgespült wird. Die Hülle muss gleichzeitig stabil und durchlässig sein. Ihre Poren müssen klein genug sein, damit das Adsorbermaterial nicht ausgespült wird, aber auch so durchlässig, dass sie dem Fluidstrom wenig Widerstand entgegen setzen. Dieser Spagat gelingt mit einem mehrfach geschichteten Verbundgewebe, welches durch Kombination verschiedener Metalldrahtgewebe hergestellt wird und eine feste Einheit bildet.

Fertigt man den Zylinder aus Verbundgewebe, befindet sich zum Adsorbermaterial hin eine äußerst feine und auf den Adsorber abgestimmte Edelstahl-Drahtgewebelage. Dieses Edelstahl-Drahtgewebe, beispielsweise ein Quadratmaschengewebe, ist ab 20 Mikrometern Maschenweite erhältlich. Für feineres Adsorbermaterial kann Tressen- und Köpertressengewebe verwendet werden, das bis zu zwei Mikrometer große Adsorberpartikel zurück hält. Dieses Gewebe wiederum wird durch abgestimmte Stützgewebe gehalten. Je nach Anforderung an die Stabilität kann die Anzahl der immer stabiler werdenden Gewebelagen bis zu zehn und mehr betragen.

Für sehr robuste Konstruktionen kann man die Verbundgewebestruktur durch ein mehrere Millimeter dickes Lochblech verstärken. Die einzelnen Gewebe werden durch Diffusionsschweißen fest und dauerhaft verbunden. Falls erforderlich auch unmittelbar mit dem Lochblech. Die Verbindung erfolgt ohne Zusatzmaterial, unter hohem mechanischem Druck und bei Temperaturen knapp unter dem Schmelzpunkt. Die Materialeigenschaften bleiben dabei nahezu unverändert.

Das Verbundgebe kann für den inneren Zylinder, bei dem das feine Gewebe außen ist, wie auch für den äußeren Zylinder, bei dem sich das feine Gewebe innen befindet, eingesetzt werden. Einige Verbundgewebe haben über die Fläche hinweg einen sehr niedrigen und gleichmäßigen Differenzdruck. Sie eignen sich für Packungsmaterial mit Partikelgrößen von 2 bis 500 Mikrometern.

Die Verarbeitung des Gewebes erfolgt zunächst wie bei Blech. Mit einer speziellen Schweißtechnik können auch massive Edelstahlkonstruktionen wie Flansche mit feinem Verbundgewebe aus Drähten mit weniger als 20 Mikrometer Durchmesser verschweißt werden. Die üblichen Werkstoffe halten auch hohen Temperaturen bis zu 600 °C und mehr stand.

Foodtypische 200 °c mit speziellen Adsorbern

Für die Lebensmittelproduktion reichen in der Regel 100 bis 200 °C, sodass das spezielle Adsorbermaterial noch gut geeignet ist. Mit dem Verbundgewebe werden hohe Flussraten für große Produktmengen realisiert. Gleichzeitig bauen sie kompakt. Die Module können einfach skaliert werden und sind auch für die Produktion im Großmaßstab geeignet.

Radialflusssäulen in der Anwendung

Erste Anwendungen für die beschriebene Radialflusssäule haben sich etabliert. Im Bereich der Nahrungsmittelerzeugung, speziell in der Bierstabilisation, wird Protein zuverlässig aus dem zu behandelnden Produkt entfernt. Die Radialflusssäule ist totraumarm und die Reinigungseigenschaft ist gut. Das Adsorbermaterial wird mit heißem Wasser sterilisiert und mit starker Lauge gereinigt.

Die Radialflusssäulen des Typs RFC sind für Drücke bis zu sechs bar ausgelegt. Da die Flussraten hoch sind und der Druckverlust gering, sind die Betriebskosten entsprechend der Pumpenleistung gering. Das beeinflusst wiederum die Lebenskosten positiv. Der Apparat kann konventionelle Systeme ersetzen, wobei der Platzbedarf durch die kompakte Bauform kleiner ist. Verbundgewebe können hinsichtlich Differenzdruck, mechanischer Stabilität und Robustheit nahezu beliebig eingestellt werden. Die Oberflächeneigenschaften lassen sich an unterschiedliche Anforderungen anpassen. So können glatte oder raue Oberflächen erzeugt werden um die Haftung der angrenzenden Produkte zu beeinflussen.

Um Chromatographiesäulen für große Durchflussmengen mechanisch stabil und kompakt zu bauen, können diese als doppelwandige Zylinder ausgeführt werden. Hoher Druck ist damit auch bei großem Volumen beherrschbar. Damit das Adsorbermaterial an Ort und Stelle bleibt, benötigt es eine stabile Hülle. Diese wird aus Verbundgewebe gefertigt, welches gleichzeitig stabil und durchlässig ist. Die Poren der Hülle halten das Adsorbermaterial zurück und setzen dem Fluidstrom gleichzeitig wenig Widerstand entgegen. Die Module aus Verbundgewebe sind zudem leicht zu reinigen.