The significance of submerged ceramic membrane systems for production oriented bioprocesses

Abstract

The objective of the investigations performed and compiled in this study was to develop submerged membrane systems, using microporous ceramic membranes for the high cell density bioprocesses developed for different products including proteins, metabolites, surfactants and polysaccharides. Characterization and selection of membrane suitable to specific purpose and development of module to be integrated within the bioreactor is discussed. The tests include biomass retention and product removal from yeast (chapter 4) and bacterial (chapter 5) fermentation. Furthermore, the problem of biofouling is discussed and methods for its control have been investigated. Next, the submerged membrane system is tested for controlled substrate feeding in aqueous-two-phase systems (chapter 6), which are usually limited in their use due to very low mass transfer rates between the two immiscible phases. To add on to the range of application of ceramic membranes, especially in submerged form, hydrophobization of the membrane is investigated (chapter 7). The idea is to integrate the bioprocess and the down stream processing via submerged membrane system, thus obtaining a sterile and continuous operation. Ceramic membranes have advantages over their polymeric counterpart owing to their mechanical and thermal strength and environmental friendliness.

Das Ziel der hier vorgestellten Forschungsarbeit war es untergetauchte Membransysteme zu entwickeln, unter der Verwendung keramischer Membranen mit Mikroporen. Diese Membranen wurden für Prozesse mit verschiedenen Produkten (Proteine, Metabolite, oberflächenaktive Substanzen und Polysaccharide) entwickelt. Die Auswahl und Charakterisierung der für den speziellen Zweck geeigneten Membran und die Entwicklung eines Moduls für den Bioreaktor wird diskutiert. Die durchgeführten Testungen beinhalteten Biomassenretention und Produktentfernung aus Hefen (Kapitel 4) und bakterielle Fermentation (Kapitel 5). Desweiteren wird das Problem des Biofouling diskutiert und Methoden erläutert, um dieses unter Kontrolle zu halten. Das Membransystem wurde hinsichtlich kontrollierter Substratzuführung getestet. Dies geschah in einem wässrigen Zweiphasensystem (Kapitel 6), welches normalerweise aufgrund der niedrigen Massentransferraten zwischen den zwei Phasen in ihrem Nutzen sehr beschränkt ist. Um weitere Anwendungsmöglichkeiten der getauchten keramischen Membranen zu entwickeln, wurde die Hydrophobisierung des Membrans erforscht (Kapitel 7). Die Absicht dahinter war es den Bioprozess und den Downstreamprozess durch das getauchte Membransystem zu vereinen, um einen sterilen und kontinuierlichen Prozess zu erhalten. Keramische Membranen sind aufgrund ihrer mechanischen und thermischen Belastbarkeit und ihrer Umweltverträglichkeit den Polymermembranen gegenüber im Vorteil.