Mikroreaktorentwicklung und -charakterisierung zur Erschließung physikalisch-chemischer Parameter in der Proteinkristallisation

Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung von Mikroreaktoren für die Kristallisation biologischer Makromoleküle, einem der Schlüsselprozesse in der aktuellen biotechnischen Forschung. Hauptziele waren die Bereitstellung neuartiger Technologieplattformen als kompakte wiederverwendbare Mikroreaktoren, deren physikalische und verfahrenstechnische Charakterisierung sowie die Überprüfung, inwieweit sich mikrostrukturierte Komponenten für den Einsatz in der Biokristallisation eignen. Die Entwicklung wurde hierbei in zwei Arbeitsabschnitte unterteilt: I) Batch-Mikroreaktor zur temperaturkontrollierten Kristallisation im Batch-Betrieb; II) Fluss-Mikroreaktor zur temperatur- und konvektionskontrollierten Kristallisation im kontinuierlichen Betrieb. Die thermische Charakterisierung der Mikroreaktoren umfasste die Analyse der Temperaturfelder und Erfassung dynamischer Parameter mithilfe von Pt-Dünnschichtsensoren und thermografischen Messungen. Die fluidischen Parameter wurden in Messungen zum Druckverlust, zur Verweilzeit- und Geschwindigkeitsverteilung ermittelt. 3D-FEM- bzw. CFD-Rechnungen dienten im Zuge der Designoptimierung zur Variantenstudie und Analyse experimentell unzugänglicher Bereiche. ... mehrExperimente und Simulationen wurde anhand analytischer 1D-Modelle validiert. Untersuchungen zum temperaturkontrollierten Kristallwachstum von Modellproteinen zielten auf die Evaluierung des Mikroreaktorkonzepts und dessen Charakterisierung ab.
Ein Ergebnis der Arbeit ist der Prototyp eines voll funktionsfähigen Batch-Mikroreaktors auf der Basis von Silizium-Mikrosystemtechnik und Dünnschichttechnologie zur temperaturkontrollierten Kristallisation kleiner Proteinmengen. Weiterhin gelang es durch Integration (mikro-) fluidischer Strukturen, das Mikroreaktorkonzept für den kontinuierlichen Betrieb zum Fluss-Mikroreaktor zu erweitern. Die Mikroreaktorsysteme erfüllen die thermischen und fluidischen Anforderungen der Biokristallisation. Die Temperierung ist im Bereich . = 5°C . 50°C exakt (.T < ±0,1 K) und langzeitstabil (mehrere Tage). Die Einschwingzeiten (ô < 10 s) und Temperierraten (dT/dt > ±3 s) erlauben Studien mit dynamischen Temperaturprotokollen. Im gesamten Flusssystem liegen laminare Bedingungen vor. Verweilzeitverhalten und Druckverlust (.p ¡Ö 100 mbar) des Mikroreaktors werden dominiert durch die fluidische Peripherie. Im Chipreaktor als dem eigentlichen Reaktionsraum herrschen homogene Strömungsverhältnisse ohne Totvolumina und Rückströmungen. Erste Untersuchungen zur Proteinkristallisation im Batch-Mikroreaktor zeigen, dass die Mikroreaktoren unmittelbar einsetzbar sind. Der Einfluss der Temperatur als sensitiver Parameter in der Proteinkristallisation konnte mithilfe verschiedener Temperaturprotokolle nachgewiesen werden. Die Kristallqualität reicht an die am weitesten verbreitete Standardmethode, die Dampfdiffusion .Hängender Tropfen., heran. Durch ihre homogenen und gut zu charakterisierenden fluidischen und thermischen Betriebsparameter eignen sich die Mikroreaktoren hervorragend als Sekundärverfahren im Parameterscreening sowie für physiko-chemische Untersuchungen der Kristallogenese zur Erstellung von Phasendiagrammen. In Perspektive bedeutet die Integration weiterer fluidischer und analytischer Komponenten eine beträchtliche Erweiterung des Parameterraums und eröffnet neue Möglichkeiten zur in situ-Analyse physiko-chemischer Prozesse.