Mikroreaktorentwicklung und -charakterisierung zur Erschließung physikalisch-chemischer Parameter in der Proteinkristall German

7H-Chemikalien-12-09-04.pdf......Page 0 Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen..............Page 7 Bedeutung......Page 9 Bedeutung......Page 10 Dimensionslose Kennzahlen......Page 11 1.1.1Methodik in der Kristallisation biologischer......Page 17 A\) Besonderheiten der Kristallisation biologisc......Page 18 Jena BioCrystallogenesis Center - JBCC......Page 19 B) Thermodynamische Aspekte......Page 21 D) Kinetische Aspekte......Page 23 1.1.2Mikroreaktionstechnik für Chemie und Life S......Page 25 A) Charakterisierung von Mikroreaktoren......Page 27 2.1Konstruktive Anforderungen und Vorüberlegunge......Page 41 LP-Si3N4......Page 43 2.2Präparationstechnologien......Page 46 Silizium-Wafer mit Sililzium-Nitrid-2-Schichtsystem......Page 47 A) Lithografische Verfahren......Page 49 B\) Dünnschichttechnologie und Dimensionierung......Page 50 C\) Trocken- und Nassätztechniken......Page 52 2.2.2Mikromaterialbearbeitung......Page 54 A) Elektrische Kontaktierung......Page 55 C) Fluidische Komponenten......Page 56 2.3.1Interne Komponenten: Dünnschichttransducer......Page 57 2.3.2Externe Komponenten: Peltier-Element, Kapillarheizung und Kompaktofen......Page 60 2.3.3Temperaturregelung......Page 62 2.4.1 Chemische Modifikation zur Einstellung des Benetzungsverhaltens......Page 64 2.4.2Aufbau und Präparation der Deckelung......Page 65 2.5.1Thermisches Verhalten......Page 68 A) Analytische 1D-Modelle......Page 69 Batch-Mikroreaktor......Page 72 Fluss-Mikroreaktor......Page 73 Dünnschichtsensoren......Page 75 Wärmebild-Kamera......Page 77 2.5.2Fluidisches Verhalten......Page 79 A) Analytische Modelle......Page 80 Strömungsprofil......Page 81 Verweilzeitverhalten......Page 83 B\) Numerische 3D-FEM-Simulationen der Strömung......Page 86 Druckverlust......Page 87 3D-Strömungsprofil......Page 88 Verweilzeitverhalten......Page 92 B\) Regeneration der Oberflächen des Batch-Mikr......Page 93 2.5.4Temperaturkontrollierte Proteinkristallisation in Mikroreaktoren......Page 94 B) Modellproteine......Page 95 C) Screening-Experimente......Page 96 D) Physiko-chemische Untersuchungen......Page 98 3.1.1Mikrostrukturierung – Weiterentwicklung des......Page 100 A) Temperierung......Page 101 B) Deckelung......Page 102 A\) Langzeitstabilität und Genauigkeit......Page 103 B) Thermografie und 3D-FEM-Simulation......Page 104 C) Laterale Temperaturprofile......Page 105 D) Vertikale Temperaturprofile......Page 107 D) Dynamische Parameter......Page 108 3.2.2Reinigungsprozedur......Page 109
......Page 111 A\) ursprüngliches Design JBCC 1.1......Page 112 B) Design der aktiven thermischen Komponenten......Page 113 A) Temperierung......Page 114 B) Deckelung......Page 115 C) Fluidischer Aufbau......Page 116 D) Aufbau Gesamtsystem......Page 120 3.4.1Druckverlustbestimmung –Befüllvorgang und B......Page 121 A\) μ-PIV-Experiment und CFD-Simulation......Page 123 B) Bestimmung des optimalen Modells......Page 125 Volumenstrom \(Sollwert\) Q / μl/min......Page 129 C) Einfluss des Kristallwachstums......Page 130 3.4.3Verweilzeituntersuchungen......Page 131 B) Thermografie und CFD-Simulation......Page 135 C) Laterale Temperaturprofile......Page 136 D) Vertikale Temperaturprofile......Page 139 E\) Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit......Page 141 Temperierrate dT/dt (Peltier-Element)......Page 142 A\) Übertragbarkeit der Kristallisationsbedingu......Page 143 Ergebnis......Page 144 B\) Qualitätsuntersuchungen mittels Röntgenstr......Page 146 A) Wachstumscharakteristik Insulin......Page 148 B) Wachstumskinetik HEWL zur Erstellung von Phasendiagrammen......Page 149 Thermik......Page 153 Mikrostrukturierung und Aufbau......Page 154 Fluidik......Page 155 Thermik......Page 156 4.3Kristallisation von Modellproteinen......Page 157 4.4Ausblick......Page 158 6.1Abbildungen......Page 172 6.2Tabellen......Page 176 B) AFM-Messungen......Page 191 Modell II)unendlicher ebener Spalt Y >> Z......Page 193 B)Bestimmung des integrales Volumenstroms (volumetrische Flussrate) Q......Page 194 Wasser......Page 196 Reaktionskammer......Page 197 D\)Abschätzung der Sensitivität der thermische......Page 198 %......Page 199 HEWL......Page 200 Fazit......Page 205 Zusammensetzung......Page 208 Summenformel......Page 209 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. Experimente 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 ±3 s) erlauben Studien mit dynamischen Temperaturprotokollen. Im gesamten Flusssystem liegen laminare Bedingungen vor. Verweilzeitverhalten und Druckverlust (.p ¡