Ekaterina Popova

• In der biotechnologischen Herstellung von Proteinen ist die Fällung mit Hilfe von Salzen (z. B. Ammoniumsulfat) ein unkompliziertes und verbreitetes Verfahren, wobei die biologischen Eigenschaften der Proteine (meistens) erhalten bleiben. Dieses Verfahren basiert auf dem sogenannten „Aussalzeffekt“. Obwohl das „Aussalzen“ von Proteinen seit langem bekannt ist, ist das Phasenverhalten in Systemen aus Proteinen, Salzen und Wasser weitgehend ungeklärt. Das Phasenverhalten eines proteinhaltigen Systems wird durch eine Vielzahl von Parametern, z. B. Art und Konzentration der Stoffe, Temperatur, pH-Wert und Ionenstärke, beeinflusst. Darüber hinaus können beim Ausfällen der Proteine sowohl stabile als auch metastabile Phasengleichgewichte auftreten. In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen zum Phasenverhalten ternärer Systeme (Protein + Salz + Wasser) bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Das Ausfällen von Lysozym, Bovin Serum Albumin, Ovalbumin und Trypsin mit Hilfe verschiedener Salze (Ammoniumsulfat, Natriumsulfat und teilweise der flüchtigen Salze Ammoniumcarbamat und Ammoniumbicarbonat) wurde untersucht. Die experimentellen Untersuchungen erfolgten einerseits durch Bestimmung der Trübungskurven und andererseits durch Bestimmung der Zusammensetzung der koexistierenden Phasen. Zusätzlich wurden mikroskopische Untersuchungen durchgeführt, um die Struktur der proteinreichen Phase (amorph, kristallin) aufzuklären. Die vorliegende Arbeit trägt zur Aufklärung der das Ausfällen von Proteinen verursachenden physikalisch-chemischen Effekte am Beispiel einiger Modellsysteme bei. Es wurde gezeigt, dass flüchtige Salze (d. h. die Salze auf Basis von Ammoniak und Kohlendioxid) erfolgreich für die Aufarbeitung der wässrigen Proteinlösungen eingesetzt werden können. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sollen die Grundlage für eine in weiterführenden Arbeiten vorgesehene Modellierung solcher Phasengleichgewichte bilden.
• Salting-out is a widely used method for the isolation and purification of proteins on both the laboratory and the industrial scales. In a salting-out step an aqueous protein solution is forced to undergo a phase separation by adding an appropriate salt solution. The solution is thus separated into a protein lean liquid phase and a protein rich phase. The structure of the protein rich phase may depend on various parameters as, e.g., the initial protein concentration, the amount of added salt, the pH of solution and the temperature. Caused by kinetically controlled processes, the precipitating protein might not be in thermodynamic equilibrium but in a metastable state. In the present work, the results of a systematic experimental study on the phase behaviour of aqueous systems of a protein and a single salt are presented. The precipitation of lysozyme, bovine serum albumin, ovalbumin and trypsin by sodium sulphate, ammonium sulphate as well as volatile salts (ammonium carbamat and ammonium bicarbonate) was investigated. Three types of experiments were performed without pH-adjustment of the aqueous solutions at room temperature: cloud point measurements, phase equilibrium measurements with an analysis of the compositions of the coexisting phases and light microscopy of the precipitated phases. The present work contributes to the understanding of phase behaviour of (protein + salt + water) mixtures. Some model systems with sodium sulphate and ammonium sulphate were investigated. It was shown, that volatile salts (i.e. salts from ammonia and carbon dioxide) can be successfully used for precipitating of proteins from aqueous solutions. The experimental results of this work provide a basis for modelling the phase behaviour of (protein + salt + water) systems, e.g. protein salting-out and protein crystallisation.