Entwicklung einer Mikroreaktor-Reaktionsplattform für katalytische Kaskadenreaktionen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nils Tippkötter
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252120979

Der versatile Einsatz biotechnologischer Reaktionssysteme ist aufgrund der Vielzahl an Katalysatoren, Umgebungsbedingungen und Substraten eine der bedeutenden Herausforderungen aktueller Forschungs- und Entwicklungsvorhaben. Zurzeit werden solche Reaktionsoptimierungen vorwiegend in vorgefertigten Mikrofluidik- oder Multi-Well-Plattenformaten durchgeführt. Diese Reaktionssysteme erfordern jedoch eine aufwändige vorangehende Planung und Fertigung.Als innovatives alternatives Konzept soll im beantragten Forschungsansatz der Einsatz frei beweglicher wässriger Mikroreaktor-Kompartimente zur parallelen Ausführung biokatalytischer Reaktionen etabliert werden. Die Reaktoren bestehen aus einem wässrigen Kern, der Edukte und bedarfsweise Katalysatoren enthält. Dieser Kern ist mit einer Hülle hydrophober magnetisierbarer Nano- oder Mikropartikel umgeben. Durch die schützende Schale treten keinerlei Interaktionen (Evaporation, Adsorption) der wässrigen Phase mit der Umgebung ein. Die magnetisierbare Hülle erlaubt darüber hinaus die beliebige Bewegung der Mikroreaktoren auf einer Trägerfläche (z. B. einer Glasplatte) durch variable magnetische Feldgradienten. Ferner ist ein magnetisches Öffnen und Schließen der Hülle möglich, so dass der Mikroreaktorinhalt mit Oberflächen-immobilisierten Enzymen oder Liganden interagieren kann.Der Ansatz einer Kompartimentierung von biochemischen Mikroreaktoren in schützenden hydrophoben Hüllen stellt eine modulare Lösung für die zukünftige Produktion neuer industrieller Biotech-Produkte dar. Die Bewegung dieser Mikroreaktoren eröffnet ein universelles automatisierbares Reaktionsprinzip, das u. a. auch die Verschmelzung zweier Reaktoren erlaubt. Zielsetzung des angestrebten Projekts ist sowohl die reproduzierbare Synthese variabler wässriger Mikroreaktoren als auch die Entwicklung und Konstruktion einer Aktuatorplattform für deren Bewegung sowie Reaktionsführung. Die Plattform wird auf einer Vielzahl schaltbarer Magnete unterhalb des Trägers basieren. Durch koordinierte Bewegungen der Magnete wird die Generierung einer hohen Anzahl von Magnetfeldgradienten und somit die simultane Bewegung mehrerer Mikroreaktoren möglich.Das neue Reaktionskonzept bietet den Vorteil einer vollkommen variabel einsetzbaren modularen Reaktortechnologie im Bereich der chemischen und biotechnologischen Forschung und Entwicklung. Dieses System fällt in den Bereich der Grundlagenentwicklung eines neuen modularen Werkzeugkastens.Die beschriebene Reaktionsplattform ist als Grundlagenentwicklung im Bereich integrierter Multi-Enzymsysteme zu anzusehen. Hervorgehobene Projektziele sind hierbei:1. Entwicklung eines modularen Reaktionssystems als Plattformtechnologie für einen universellen Werkzeugkasten für biotechnologische und chemische Produktionsprozesse.2. Etablierung einer Reaktionskaskade dreier oberflächenimmobilisierter als Modellverfahren unter besonderer Berücksichtigung des diffusiven Stofftransports in den Mikroreaktoren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen