Forschung - Landesförderung Rheinland-Pfalz

Anwendung von superparamagnetischen Partikeln in der Analytik und Bioverfahrenstechnik (BIOMAG)

In einer Kooperation des Lehrgebiets Bioverfahrenstechnik und dem Lehrgebiet Biophysik der TU Kaiserslautern und der Fachrichtung Verfahrenstechnik (Umweltcampus Birkenfeld, FH Trier) wird an der Darstellung von Partikeln, deren Beschichtung mit Biomolekülen und der Entwicklung von magnetischen Retentionsapparaten gearbeitet.
Zur Darstellung der Partikel werden am Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik die Methoden der Präzipitation und Mikroemulsion angewendet. Hierbei können Partikel mit superparamagnetischen Magnetiteinschlüssen in einem weiten Gröflenbereich u. a. aus Silikat-, Polyvinylalkohol- und Agarosematrizes synthetisiert werden. Nanopartikel werden am Institut für Biophysik synthetisiert. Hierzu wird ein Kern aus Magnetit dargestellt, der in einem zweiten Schritt von einer äufleren Goldhülle ummantelt wird (Core-Shell-Partikel). Die Hülle bietet zum Einen Schutz gegen Korrosion des Magnetitkerns und zum Anderen die Möglichkeit der direkten Proteinbindung auf der Oberfläche. Die Partikel haben einen Durchmesser von durchschnittlich 76 nm.

Die Partikel werden während oder nach der Herstellung mit Bindungsgruppen, wie z. B. Amino- oder Epoxygruppen, funktionalisiert. Zur biotechnologischen Funktionalisierung der Oberflächen stehen Techniken der kovalenten Bindung und Quervernetzung von Proteinen, und insbesondere Enzymen, zur Verfügung. Forschungsschwerpunkte sind hier Bindungsoptimierungen in Bezug auf Enzymaktivität und Lagerstabilität der Immobilisate.

Der Einsatz und die Abtrennung der magnetisierbaren Partikel erfolgt in komplexen Stoffgemischen, wie u. a. Fermentationsbrühen, Lignocellulosehydrolysaten oder Molkekonzentraten. Eine Rückgewinnung aus diesen feststoffhaltigen Systemen wird mit einem Hochgradient Magnetseparator (HGMS) durchgeführt. Die Abtrenneigenschaften der verschiedenen Magnetpartikel im HGMS zeigen Filterkapazitäten von 4 ñ 6 g. Optimierungen der Geometrie der Abscheidekammer wird mittels Finiter Elemente Modellierungen (FEM) unter Beachtung der Magnetfeld- und Strömungscharakteristika während der Abtrennungen durchgeführt.

Status: Abgeschlossenes Vorhaben

Kooperationspartner:

Lehrgebiet für Biophysik (TU Kaiserslautern), Prof. Volker Schünemann

Fachrichtung Verfahrenstechnik (Umweltcampus Birkenfeld, FH Trier), Prof. Percy Kampeis

Veröffentlichungen:

N. Tippkˆtter, S. Maurer, A. Pasteur, P. Kampeis, R. Ulber, Hochgradient-Magnetseparation von Fermentationsprodukten - Finite Elemente Simulation der Filtermatrix. ProcessNet-Jahrestagung 2010

N. Tippkötter, T. Hahn, R. Ulber; Biocatalysts immobilized an nanoparticles - fundamentals and applications; Vortrag ACHEMA (2009) Frankfurt [Abstract]

Pasteur, T. Hahn, S. Dillenberger, V. Schünemann, R. Ulber; Funktionalisierte magnetische Nanopartikel; Jahrestagung der Biotechnologen & ProcessNet-Jahrestagung (2009) Mannheim

N. Tippkötter, R. Ulber; Eine magnetische horizontale Wirbelschicht für die Durchmischung und Rückhaltung von magnetisierbaren Mikropartikeln im Durchfluss; Jahrestagung der Biotechnologen & ProcessNet-Jahrestagung (2009) Mannheim [PDF-File]

S. König, C. Klein, D. Adam, S. Rogin, P. Kampeis: Aufbereitung biotechnologischer Produkte mittels Magnetseparation, Messe ACHEMA, Frankfurt am Main, 11.- 15.05.2009

P. Kampeis, M. Bewer, S. Rogin: Einsatz von Magnetfiltern in der Bioverfahrenstechnik ñ Teil 1: Vergleich verschiedener Verfahren zum Rückspülen der Magnetfilter; Chem.-Ing.- Tech. 81 (2009) 275-281 [Abstract]

A. Pasteur, S. Dillenberger, V. Schünemann, R. Ulber: Funktionalisierte magnetische Nanopartikel. Jahrestagung der Biotechnologen, Mannheim 09.09.2009 6 / 16

P. Kampeis: Einsatz von Magnetfiltern in der Bioverfahrenstechnik; Tag der Technologie 2009 - BioTech in Rheinland-Pfalz, Mainz, 26.10.09

M. Ernst: Abtrennung von Fermentationsprodukten mittels Hochgradienten-Magnetseparation am Beispiel von Dicarbonsäuren, Bachelorarbeit, Umwelt-Campus Birkenfeld, 2009

M. Lieblang: Automatisierung einer HGMS-Anlage und Einbindung eines Durchflussmagnetsensors zur On-line-Analytik, Bachelorarbeit, Umwelt-Campus Birkenfeld, 2009

S. Dillenberger: Porphyrin-funktionalisierte Au-Fe-Oxid-Partikel für Hydroxylierungsreaktionen, Diplomarbeit, Universität Kaiserslautern, 2009

N. Tippkötter, V. Schünemann, R. Christmann, A. Pasteur, J. Schweizer, R. Ulber: Bioaffinity Layering magnetisierbarer Mikro- und Nanopartikel. 14. Heiligenstädter Kolloquium, 23.09.2008

C. Seibert, P. Kampeis: Filterkammer für den Einsatz in Hochgradienten-Magnetfiltern, Hannovermesse 2008, 21.-25.04.2008

C. Klein, D. Feind, J. Walter, M. Krantz, S. Schmidt, P. Kampeis: Quantifizierung der Abtrennung magnetischer Mikrosorbentien von Zellmasse in einem HGMS-Filter; GVC/Dechema-Vortragstagung ÑModellierung - Von der Zelle zum Prozessì, 28.- 30.04.2008

V. Schünemann, K. Muffler, R. Ulber: Mössbauer Spectroscopy ñ A tool for characterization of iron depending enzymatic reactions, European Bioperspectives, Hannover, 7.-9.10.2008

V. Schünemann: Mössbauer Spectroscopy of iron containing proteins and related model complexes, 50 Years After ñ The Mössbauer Effect Today and in Future, München, 9.- 10.10.2008

C. Klein, Einsatz der Magnetfiltration zur Abtrennung von rekombinantem Protein aus Zellhomogenisaten am Modellsystem mit eGFP, Bachelorarbeit, Umwelt- Campus Birkenfeld, 2008

A. Pasteur, Synthese, Charakterisierung und Biofunktionalisierung von Gold-Magnetit-Nanopartikeln, Diplomarbeit, Universität Kaiserslautern, 2008

S. König, Trennung von Biomasse und Magnetbeads in einer HGMSAnlage am Modellsystem mit fluoreszierenden E.coli-Bakterien Diplomarbeit, Umwelt-Campus Birkenfeld, 2008

N. Tippkötter, V. Schünemann, R. Christmann, A. Pasteur, J. Schweizer, R. Ulber; Different magnetizable particles for bioaffinity layering; European BioPerspectives (2008) Hannover; Book of Abstracts 253 [PDF-File]

N. Tippkötter, P. Kampeis , P. Welters, L. ‡ Brassard, U. Habich, R. Ulber; Bio-layering and separation of magnetic beads from viscous media on the example of glucose oxidation; European BioPerspectives (2007) Köln

R. Ulber, J. Wolny, N. Tippkötter, V. Schünemann, Biofunctional Au-Fe-nanoparticles; European BioPerspectives (2007) Köln

Veröffentlichungen und Berichte:

M.-C. Scheller, K. Muffler, S. Ernst, W. Thiel, V. Schünemann, H. Sitzmann, C. Thyssen, R. Ulber; Kursangebot Katalyse - Einsatz Nachwachsender Rohstoffe; Kluge Köpfe für große Aufgaben (2010) Osnabrück

Schüler in den Ferien im Labor; Rheinpfalz (12. Juli 2010)

Kursangebot Katalyse; UniSpectrum (Mai 2010)