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Projekt
Kristallbruch mechanisch labiler Proteinkristalle in der Mechanischen Flüssigkeitsabtrennung
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl
Fachliche Zuordnung
Mechanische Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung von 2016 bis 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315011332
Im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen“ (DiSPBiotech) untersucht der Antragsteller das Filtrations- und Bruchverhalten von mechanisch instabilen Proteinkristallen. Die in dem Schwerpunktprogramm angestrebte umfassende Betrachtung biotechnologischer Prozesse von der Kultivierung bis zur Formulierung auf der Mikro- bis zur Makroskala hat das Ziel, die komplette Prozesskette zu verstehen und anschließend zu optimieren.Cornehl et al. zeigten am Beispiel von Lysozym, dass bei der an die Kristallisation anschließenden Filtration die Kristallgröße, -form und mechanische Bruchfestigkeit einen starken Einfluss auf die Filtrationsleistung haben. Sowohl die Proteinexpression, als auch die Kristallisation beeinflussen die Kristallform und die mechanische Festigkeit. Veränderungen und Optimierungen am Protein oder Kristall haben Auswirkungen auf die nachfolgenden Prozessschritte. Letztendlich muss gewährleistet sein, dass die komplette Prozesskette mit dem Wertprodukt erfolgreich durchlaufen wird.Die in der ersten Projektphase über Zentrifugalfiltration bestimmten Prozessfunktionen (Flussdichtefunktion und Kompressionswiderstand) berücksichtigen Inhomogenitäten im Filterkuchen nicht. Durch auftretenden Kristallbruch bei der Filtration ist aufgrund der höheren Druckbeanspruchung auf der Unterseite des Kuchens ein verstärkter Kristallbruch und somit eine Änderung der Haufwerksstruktur über die Kuchenhöhe zu erwarten. Die über Druckbeanspruchung belasteten Kristallfilterkuchen zeigen eine Veränderung der Kristallgrößenverteilung hin zu kleineren Kristallen. Neben der Druckbeanspruchung treten in technischen Filtrationsprozessen auch Scherbelastungen auf. Diese Scherbelastung, die auf die Suspension wirkt, hat ebenfalls eine Verkleinerung der Kristalle zur Folge. Der Einfluss einer Scherbelastung auf die Kuchenstruktur und die Prozessfunktionen ist für Proteinkristalle im Rahmen des Forschungsprojekts aufzuklären. Mit Hilfe der µCT Analytik sind Strukturunterschiede im Haufwerk und Kristallgrößenverteilungen bestimmbar. Modelle zur Korrektur oder Übertragung der Prozessfunktionen aus kleinem Maßstab existieren für bruchanfällige Proteinkristalle nicht. Dies ist aber eine Voraussetzung, um mit Hilfe der Prozessfunktionen das Filtrationsverhalten auf größeren Trennapparaten zu berechnen und daher im Rahmen des Projektes zu entwickeln. Bei Kenntnis der Bruchmechanismen ist der Trennapparat simulationsgestützt gezielt dahingehend zu optimieren, den Kristallbruch zu verringern und damit die Filtration zu verbessern. Mit 3D-Druckverfahren sind über rapid prototyping konstruktive Modifikationen direkt herzustellen und zu vergleichen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
