Experimental and Theoretical Investigation of an Aqueous Two Phase System with a Hyperbranched Polymer

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Tim Zeiner
• Subject Area: Technical Thermodynamics ; Chemical and Thermal Process Engineering
• Term: from 2012 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 226187286

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Ziel des Projektes war die experimentelle und theoretische Untersuchung sowohl des Phasenverhaltens als auch des Stoffdurchgangs in wässrigen Zweiphasensystemen (ATPS), welche durch hyperverzweigte Polymere gebildet werden. Als thermodynamisches Modell wurde die Lattice Cluster Theorie mit der Wertheim Theorie verwendet und zur Stoffdurchgangsmodellierung wurde dieses mit der Dichtegradiententheorie kombiniert. Exemplarisch wurde die Bildung des ATPS anhand eines Modellsystem aus einer wässrigen Lösung von Dextran T40 und einem hyperverzweigten Polyesteramid (HB) untersucht (ATPS 1). Dieses ATPS wurde mit einem „klassischen“ ATPS, bestehend aus Polyethylen Glykol (PEG) 8000 und Dextran T40 (ATPS 2), verglichen. Weiterhin wurde auch die Verteilung des Biomoleküls L-Serin in beiden ATPS analysiert. Zunächst wurde das Phasenverhalten der beiden ATPS experimentell untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass obwohl PEG 8000 als auch HB eine ähnliche Molmasse besitzen, ATPS 1 eine vergleichsweise geringe kinematische Viskosität der korrespondierenden Phasen hat und sehr viel länger Konnoden aufweist. Durch die längeren Konnoden ist das Verteilungsverhalten von L-Serin in ATPS auch ausgeprägter in Richtung der Dextran-reichen Phase. Für die thermodynamische Modellierung der beiden ATPS und der Verteilung des Biomoleküls wurde versucht ausgehend von dem Verhalten der binären Randsysteme das Phasenverhalten der beiden ATPS zu berechnen. Dies konnte innerhalb des Projektes erfolgreich umgesetzt werden, so dass mit dem thermodynamischen Modell sowohl das Entmischungsverhalten von HB/PEG-Wasser, die Löslichkeit von L-Serin in Wasser als auch das Phasenverhalten der ATPS sowie die Verteilung von L-Serin in den ATPS berechnet werden kann. Aufbauend auf dem thermodynamischen Modell wurde das Stoffübergangsmodell entwickelt. Hierzu wurde zunächst die Grenzflächenspannungen der beiden ATPS vermessen und modelliert. Beide ATPS weisen hierbei eine relativ geringe Grenzflächenspannung auf, was in der Anwendung zu Emulsionsbildung führen kann. Durch die Modellierung der Grenzflächenspannung konnte ein Ausdruck für die Helmholtzenergie im inhomogene Gebiet gewonnen werden. Dies bildet die Ausgangslage für die Entwicklung des Stoffübergangsmodels. Für die Anpassung der Mobilitätskoeffizienten wurde der Stoffübergang der phasenbildenden Komponente Dextran als auch von L-Serin mit Hilfe einer Nitsch-Zelle vermessen. Durch dieses Vorgehen konnte sowohl der Stoffübergang modelliert werden als auch die Konzentrationsprofile über die Phasengrenzfläche. So konnten mögliche Widerstände für den Stoffübergang aufgezeigt werden. Durch die experimentelle Untersuchung des Stoffübergangs von L-Serin in den beiden ATPS wurde auch festgestellt, dass sich dieses zu Beginn an der Phasengrenzfläche anreichert. Innerhalb dieses Projekts wurde die stoffliche Basis der ATPS deutlich erhöht und eine geschlossene Theorie für die Modellierung der Phasengleichgewichte und des Stofftransportes zur Verfügung gestellt.

Publications

• "Novel aqueous two-phase system based on a hyperbranched polymer" Fluid Phase Equilib. 362 (2014): 1-10
  Kulaguin Chicaroux, A. und Zeiner, T.
  
• "Solubility calculations of branched and linear amino acids using lattice cluster theory" Mol. Phys. 112.17 (2014): 2282-2296
  Fischlschweiger, M., Enders, S. und Zeiner, T.
  
• "Hyperbranched polymers as phase forming components in aqueous two-phase extraction." Chem. Eng. Pro.: PI 99 (2016): 167-174
  Kulaguin Chicaroux, A., Plath, M. und Zeiner, T.
  
• "Investigation of Interfacial Properties of Aqueous Two-Phase Systems by Density Gradient Theory." Fluid Phase Equilib. 407 (2016): 135-142
  Kulaguin Chicaroux, A. und Zeiner, T.
  
• "Interfacial Behavior of Aqueous Two-Phase Systems Based on Linear and Hyperbranched Polymers." J. Chem. Eng. Data 63 (2018) 2467–2476
  Kulaguin Chicaroux, A. und Zeiner, T.
  
• "Theoretical and experimental investigation of mass transfer in aqueous two-phase systems based on linear and branched polymers." Fluid Phase Equilib. 479 (2019) 106-113
  Kulaguin Chicaroux, A. und Zeiner, T.