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

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In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Charakterisierung von Mikroreaktoren für die Kristallisation biologischer Makromoleküle behandelt, einem zentralen Prozess in der biotechnischen Forschung. Die Hauptziele umfassen die Bereitstellung neuartiger Technologieplattformen als kompakte, wiederverwendbare Mikroreaktoren, deren physikalische und verfahrenstechnische Charakterisierung sowie die Eignung mikrostrukturierter Komponenten für die Biokristallisation. Der Entwicklungsprozess gliedert sich in zwei Abschnitte: I) Batch-Mikroreaktor für temperaturkontrollierte Kristallisation im Batch-Betrieb; II) Fluss-Mikroreaktor für temperatur- und konvektionskontrollierte Kristallisation im kontinuierlichen Betrieb. Die thermische Charakterisierung umfasste die Analyse von Temperaturfeldern und dynamischen Parametern mittels Pt-Dünnschichtsensoren und thermografischen Messungen. Fluidische Parameter wurden durch Druckverlustmessungen und Analysen der Verweilzeit- und Geschwindigkeitsverteilung ermittelt. 3D-FEM- und CFD-Rechnungen unterstützten die Designoptimierung. Ein Ergebnis ist ein Prototyp eines voll funktionsfähigen Batch-Mikroreaktors auf Siliziumbasis zur temperaturkontrollierten Kristallisation kleiner Proteinmengen. Die Mikroreaktorsysteme erfüllen die Anforderungen der Biokristallisation und ermöglichen Studien mit dynamischen Temperaturprotokollen. Erste Ergebnisse zur Proteinkristallisation zeigen die unmittelbare Eins