Forschung

Multiskalenmodellierung elektrochemischer Prozesse und Apparate im Hinblick auf Anwendungen in der Biotechnologie

Die Aufkonzentrierung und Reinigung biotechnologisch produzierter Moleküle ist ein aufwändiger Teil ihres Herstellungsverfahrens, der häufig mittels Chromatographie realisiert wird. Eine interessante Alternative zu chemisch kontrollierten Chromatographieverfahren, wie z.B. Ionenaustausch- oder Hydrophobe Interaktionschromatographie ist die über einen physikalischen Stimulus gesteuerte Potential-kontrollierte Chromatographie (PCC). Die PCC eignet sich unter anderem zur Aufreinigung von Ionen bzw. geladenen Molekülen wie Aminosäuren, die zum Beispiel als Lebensmittelzusätze oder als Futtermittel eingesetzt werden.
Da sich die PCC noch in der Entwicklung befindet, ist das Verständnis über die auf Nano-, Mikro- und Makroebene ablaufenden Prozesse erst ansatzweise vorhanden. Für die Optimierung und Auslegung dieser Technik ist dieses Wissen jedoch entscheidend. Um ein besseres Verständnis zu erlangen, werden die ablaufenden Vorgänge in einer Multiskalenmodeliierung simuliert und experimentell untersucht. Für die Modellierung werden die Adsorptions- und Diffusionsvorgänge in der porösen Kohlenstoffschicht der Flachelektroden, sowie die konvektiven Transportvorgänge und das elektrotechnische Verhalten kompletter Stapelelektrodenmodule einbezogen. Die Versuche werden an einer mit einem PCC-Modul erweiterten FPLC-Anlage durchgeführt, wobei die adsorptiven Kräfte durch zyklische Spannungs- und Stromverläufe induziert werden. Als Testsubstanzen dienen Aminosäuren, Salze, Säuren und Laugen.
Abschließend soll ein realistisches prädiktives Simulationsprogramm für elektrochemische Prozesse mit kapazitiven Flachelektroden vorliegen.

Abbildung 1: Funktionsweise eines PCC-Moduls. Positiv geladene Ionen/Moleküle werden an der Anode adsorbiert, während negativ geladene Ionen/Moleküle an der Kathode adsorbiert werden. Nachdem die Lösung das CDI-Modul durchströmt hat, ist ihr Anteil an Ionen/Molekülen verringert.