Yonas S. Shaikh

• In dem vorliegenden Dissertationsdokument werden die Ergebnisse aus der Forschung zu konzeptionellen Verfahrensentwürfen für die industrielle Anwendung von Enzym-Magnetpartikeln vorgestellt. Die Magnetpartikel im Mikrometermaßstab sind aufgrund ihrer geringen Größe, sphärischen Geometrie und der daraus resultierenden hohen spezifischen Oberfläche, ein attraktives Trägermedium für Biomoleküle. Aufgrund der Magnetisierbarkeit der Partikel können die Partikeltrajektorien in einem Flüssigkeitsstrom zudem durch ein Magnetfeld gesteuert werden. In einem Magnetfilter werden anhand dieser Wechselwirkungen die Magnetpartikel selektiv abgetrennt. Zur Konstruktion von Magnetfiltern wurde in dieser Arbeit die Computer-Aided-Design-Software Siemens NX 8 eingesetzt. Die Konstruktionsentwürfe wurden in die Software Comsol Multiphysics® 4.3a importiert. Die Software beinhaltet Differentialgleichungssysteme und -löser, mit denen das Magnet- und Fluidströmungsfeld in den untersuchten Magnetfiltern berechnet werden können. Es wurden geometrische Variationen an den Modellen vorgenommen, um Änderungen in der resultierenden Trennleistung zu erzielen. Die optimierten Filter wurden anschließend gefertigt und in experimentellen Untersuchungen erprobt. Dabei wurden Magnetpartikel mit und ohne Biomasse separiert und die Trennleistung bestimmt. Die Partikelsuspensionen wurden zudem hinsichtlich der Prozessintegration untersucht. Dabei stand der Medianpartikeldurchmesser im Vordergrund der Untersuchung. Es wurde überprüft, wie sich die Partikelgrößenverteilung bei variierten pH-Werten und Salzkonzentrationen verändert. In diesem Kontext wurde die Homogenisierung der Magnetpartikel in einem Ultraschall-Homogenisator untersucht. Am Institut für biotechnisches Prozessdesign standen zwei verschiedene Separatoren zur Verfügung, für welche die Filterkammern optimiert wurden. Für den mit Permanentmagneten betriebenen Magnetseparator von der Firma Steinert Typ HGF10 wurde eine mit Quarzgläsern ausgestattete Filterkammer entworfen und gefertigt (Patentanmeldung AZ 102012023382.5). Dadurch konnten die Partikelablagerungen während der Filtration und nach der Reinigung untersucht werden. Im untersuchten Arbeitsbereich bis zu einer Kapazität von ca. 83 g/L wurde kein Partikeldurchbruch detektiert. In vorigen Arbeiten mit Magnetfiltern mit vergleichbarer Geometrie wurde festgestellt, dass die Strömung im Anfangsbereich des Filters maßgeblich die Partikelretention beeinflusst. Darauf aufbauend wurde in dieser Arbeit der Einfluss von statischen Mischern charakterisiert, um Unterschiede in der Lineargeschwindigkeit der Flüssigkeit zu minimieren und ein möglichst propfenförmiges Strömungsprofil herzustellen. Die Optimierung der Filterkammer wurde im nächsten Schritt mit Analysen zur Auswirkung von geometrischen Variationen in der Filtermatrix weitergeführt. Es wurden in dieser Arbeit die Geometrien von Filtermatrices aus gestapelten Filterblechen mit Aussparungen näher untersucht. Anhand Simulationsdaten und Ergebnissen aus experimentellen Versuchen wurde eine Korrelation zwischen der Partikelretention und der Anzahl an Kanten in der Filtermatrix gefunden. Je mehr Kanten in der Matrix vorkommen, desto weniger Partikel gehen im Filtrat verloren. Abschließend wurde die Reinigung der Filterkammer mit der Zweiphasenströmung näher untersucht und der Einsatz von Druckluft erprobt. Die Druckluft wurde zum Erzeugen von dispergierten Luftblasen im Flüssigkeitsstrom simultan zur laufenden Peristaltikpumpe in die Zufuhrleitung der Filterkammer injiziert. Während der Reinigungsprozedur werden mittels der Luftblasen die Partikelablagerungen mechanisch gelöst und mit der Strömung aus der Filterkammer gespült. In biotechnologischen Produktionen gelten besondere Richtlinien und Regeln zum Einhalten von Reinigungsverfahren. Im Rahmen magnetpartikelbasierter Prozesse ist hierbei ein besonderes Augenmerk auf feinste partikuläre Rückstände nach der Reinigung zu legen. Aufgrund der in Magnetfiltern vorhanden Filtermatrix mit einer komplexen Geometrie kann den Untersuchungen zur Folge nicht von einer vollständigen Entfernung ausgegangen werden. Um bei derartig streng regulierten Produktionen trotzdem ein Filtersystem zur Verfügung zu haben, wurde in dieser Arbeit der Einsatz von Einweg-Hochgradienten-Magnetfiltern erprobt. Die Einweg-Magnetfilter-Prototypen wurden auf Basis von Kunststofffolien hergestellt, die zusammengeschweißt wurden, um eine Art Beutel mit Ein- und Auslass herzustellen. Mit den gefertigten Prototypen wurden exemplarische Filtrationen durchgeführt, um die Eignung für industrielle Prozesse zu testen. Um einen Einweg-Magnetfilter für die Anwendung attraktiv zu gestalten, musste sichergestellt sein, dass die Rückstände an Partikeln nach der Reinigung gering sind, weil jegliche Partikelreste mit dem Einweg-Magnetfilter verworfen werden würden. Die untersuchten Prototypen zeichneten sich durch eine hohe Partikelretention mit einer Kapazität von ca. 35 g/L und minimale Rückstände nach der Reinigung aus. Der zweite am Forschungsinstitut vorhandene Magnetseparator wurde mit einem Elektromagnet betrieben. Der in dem Separator eingebaute Magnetfilter wurde mit einer Filtermatrix nach dem Rotor-Stator-Prinzip gefertigt. Es sind im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Magnetfiltern zwei Arten von Filterblechen in dem Filter eingebaut. Zum einen nicht bewegliche Statorbleche und zum anderen rotierbare Rotorbleche. Die Rotorbleche sind über eine drehbare Welle miteinander verbunden. Dabei entstehen zwischen den Filterblechen hohe Scherraten, wodurch nach der Filtration die Partikelablagerungen effizient gelöst und aus dem Filter gespült werden können. Die Filterbleche besitzen Aussparungen mit welchen die Partikelretardierung und -resuspendierung beeinflusst wird. Die Einflussfaktoren wurden in Simulationen näher untersucht, um eine Geometrie der Aussparungen zu finden, mit welcher sich die Reproduzierbarkeit der Filtrationen erhöhen ließ. Bei dem Magnetfilter mit einer Rotor-Stator-Filtermatrix wurde eine Kapazität von ca. 170 g/L ohne Durchbruch erreicht. Die zuvor beschriebenen Magnetfilter waren dafür konzipiert worden, separat von einem Reaktor betrieben zu werden. Die Reaktionssuspension wird aus dem Reaktor und anschließend durch den Filter gepumpt. Im Gegensatz dazu wurde ein In-situ-Magnetseparator entwickelt, mit dem magnetische Partikel direkt im Reaktor durch eine magnetische Lanze aus der Reaktionssuspension eingefangen werden können. Durch eine Linearbewegung der Lanze werden die angehefteten Partikel aus dem Reaktor transferiert. Danach können die Magnetpartikel von der Lanze gelöst werden und in einen Aufbewahrungsbehälter gepumpt oder wieder in den Reaktor geführt werden. Der Separator bietet die Möglichkeit, in einem Reaktor eine Fermentation oder Biokatalyse in Gegenwart der funktionalisierten Magnetpartikel durchzuführen und in drei Schritten die Partikel aus dem Reaktor zu entfernen oder für eine anschließende Produktion wiederzuverwenden.