Dielektrophoretische Partikelchromatographie (DPC) mit skalierbarer Trennwirkung im präparativen Maßstab

• Antragsteller: Dr. Michael Baune, seit 7/2022
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382065007

Die Trennung von Mikro- und Submikropartikeln aus Flüssigkeit oder die Fraktionierung nach Eigenschaften ist essenziell für viele verschiedene Anwendungsfelder. Partikeltrennung wird z.B. in der Bioanalytik und medizinischen Diagnostik benötigt, aber auch für die Aufwertung von Produkten, für Wertstoffrückgewinnung oder um die Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz von industriellen Prozessen zu verbessern. Bei der Rückgewinnung von Edelmetallen aus Elektroschrott entsteht beispielsweise durch Mahlen Feinstaub, in dem sich ein Großteil der Edelmetalle konzentriert, der aber auf Grund seiner geringen Partikelgröße nicht effektiv fraktioniert werden kann.Standardmethoden zur Sortierung solch kleinerer Submikro- und Mikropartikeln sind z.B. Gel-Elektrophorese oder Größenausschlusschromatographie (GPC). Diese Verfahren haben den Nachteil, dass keine wirtschaftlich relevanten Mengen behandelt werden können und die Aufbereitung der erhaltenen Partikelfraktionen sehr zeit- und kostenintensiv ist, was die Verfahren auf die Analytik beschränkt. Andere konventionelle Verfahren für höhere Durchsätze wie Feldflussfraktionierung oder Zentrifugation verlieren bei Partikeln unter 10 µm Selektivität und Effektivität. Die hier vorgestellte dielektrophoretische Partikelchromatographie benutzt Dielektrophorese, einen elektrokinetischen Effekt, dazu, Partikel eigenschaftsselektiv in einer Chromatographiesäule zu verlangsamen. Die Verweilzeitverlängerung entsteht, weil Partikelgemische entsprechend ihrer Polarisierbarkeit, einer Eigenschaft die von Partikelmaterial, -form und der -größe abhängt, durch ihre Interaktion mit einem inhomogenen, elektrischen Wechselfeld verlangsamt werden. Das inhomogene Feld wird dabei durch eine konzentrische Elektrodenanordnung (Annulus) in einem mit dielektrischen Füllkörpern gefüllten Rohr verursacht. Die Füllkörper stören das Feld der Elektrodenanordnung und erzeugen so eine große Anzahl von lokalen Feldinhomogenitäten. Eine solche Anordnung erlaubt einen im Vergleich zu konventionellen mikrofluidischen Dielektrophorese-Techniken um mehrere Größenordnungen erhöhten Durchsatz. Das angelegte Wechselfeld wird in der Frequenz moduliert, um so gezielt Unterschiede in der frequenzabhängigen Partikelpolarisierbarkeit auszunutzen. Zum besseren Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen und zur Auslegung einer dielektrophoretischen Chromatographiesäule mit wirtschaftlich relevantem Durchsatz sollen sowohl Mikrokanäle wie auch makroskopische Füllkörperkolonnen mit detaillierten Parametervariationen (zur Feldstärke, -frequenz, Füllkörper- und Kanalgeometrie sowie zur Modulationsfrequenz) experimentell und simulativ untersucht werden. Ziel des Vorhabens ist die Realisierung einer dielektrophoretischen Chromatographiesäule zur kontinuierlichen mehrdimensionalen Eigenschaftssortierung von Partikeln in der flüssigen Phase bei Durchsätzen von bis zu 10 g pro Stunde.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2045: Hochspezifische mehrdimensionale Fraktionierung von technischen Feinstpartikelsystemen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Georg Pesch, bis 6/2022