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Projekt
Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Auswirkung von Kavitation und strömungsbedingten Kollisionen auf die Aggregatbildung und den Aktivitätsverlust nach dem Zellaufschluss im Hochdruckhomogenisator am Beispiel der Modellsysteme Lipase bzw. beta-Lactoglobulin
Antragstellerin
Professorin Dr.-Ing. Heike Karbstein
Fachliche Zuordnung
Mechanische Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung von 2019 bis 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 425332181
Biotechnologisch gewonnene Enzyme oder Proteinisolate aus pflanzlichen Quellen werden oft über Zellaufschluss gewonnen. Technisch hierzu eingesetzt werden u.a. Hochdruckhomogenisatoren. Beim Hochdruckhomogenisieren werden durch eine extreme Beschleunigung des Mediums zerkleinerungswirksame Spannungen erzeugt, die für hohe Zellaufschlussraten verantwortlich sind. Nebeneffekt ist oft Kavitation, durch die Gas/Flüssig-(Blasen) und/oder Fest/Flüssig- (Abrieb-Partikel) Grenzflächen erzeugt werden. Dieser Forschungsantrag konzentriert sich auf den Verlust an Enzymaktivität sowie die Denaturierung und Aggregation von Proteinen, für die in der Literatur eine grenzflächen- und/oder scherbedingte Auffaltung der dreidimensionalen Struktur gefolgt von Aggregation in der Strömung verantwortlich gemacht werden. Grundlegende Arbeitshypothese dieses Vorhabens ist die Annahme, dass strukturbedingte Verluste an Enzyme- oder Proteinaktivität verringert werden können, wenn Kavitation in Zerkleinerungseinheiten von Hochdruckhomogenisatoren weitgehend vermieden und die Kollisionsfrequenz im Ausströmraum effizient gesenkt wird. Methodiken hierfür sind das Anlegen von Gegendruck und Zuführen eines verdünnenden Mischstroms direkt in den Ausströmraum hinter dem engsten Querschnitt, so dass lokal hohe Mischeffi-zienzen erreicht werden können. Im Antrag werden numerische Strömungssimulationen solcher neuartiger Simultaner Homogenisier- und Misch- (SHM-) Einheiten durchgeführt und Auswertemethoden zur Vorhersage von Kavitation und Kollisionsraten in Abhängigkeit von Geometrie- und Prozessparametern erarbeitet und durch begleitende Experimente verifiziert. In Kooperation mit weiteren Teilprojektpartnern im SPP werden daraus Belastungshistorien und erwartete Aggregati-onsraten vorhergesagt. Dies mündet in Auslegungsstrategien für einen weitgehenden Erhalt an Funktionalität bei Enzymen und Proteinen, die durch Zellaufschluss im Hochdruckhomogenisator gewonnen werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
