Forschergruppe FOR 856: Mikrosysteme für partikuläre Life-Science-Produkte

Projektbearbeitung: Stefan Beinert; Thomas Gothsch

Während Mikrosysteme aufgrund ihrer größenspezifischen Eigenschaften (wie z.B.: hoher Stoff- und Wärmeübergang, kleine Mischzeiten etc.) für Prozesse mit reinen Flüssigkeiten auf dem Vormarsch sind, sind aufgrund der Gefahr von Ablagerungen, Verstopfungen und Verschleiß bislang nur wenige Prozesse mit partikelbeladenen Strömungen in Mikrosysteme umgesetzt worden. Diesen Problemen will sich die Braunschweiger DFG Forschergruppe FOR 856 ‘Mikrosysteme für partikuläre Life-Science-Produkte’ (kurz: mikropart) stellen.

Als Modellsysteme wurden zwei komplexe Mikrosysteme gewählt, die im Life- Science-Bereich Anwendung finden: Einen Mikrobioreaktor sowie ein Mikrosystem zur Herstellung von wirkstoffbeladenen Lipidnanopartikeln. Am Institut für Partikeltechnik wird in erster Linie an dem Mikrosystem zur Herstellung wirkstoffbeladener Lipidnanopartikel geforscht. Die Herstellung wirkstoffbeladener Lipidnanopartikel erfolgt in mehreren  Prozessschritten. Zunächst wird ein Wirkstoff in einer Lipidphase dispergiert und diese anschließend in einer kontinuierlichen Wasserphase voremulgiert. Im nächsten Prozessschritt folgt die eigentliche Emulgierung der wirkstoffbeladenen Lipidphase zu Tropfen im Nanometerbereich, die abschließend kontrolliert abgekühlt und zu Lipidnanopartikeln kristallisiert werden. Das Mikrosystem soll ein umfangreiches Screening unterschiedlichster Wirkstoffe und Formulierungen mit geringem Material- und Personalaufwand ermöglichen.

Das Teilprojekt des Institutes für Partikeltechnik beschäftigt sich in erster Linie mit den verfahrenstechnischen Aspekten bei der Produktion von wirkstoffbeladenen Lipidnanopartikeln in Hochdruckmikrosystemen und insbesondere mit der Dispergierung von anorganischen und organischen Wirkstoffen. Unter Dispergierung wird in diesem Zusammenhang die Zerkleinerung von Primärpartikelkollektiven (Agglomerate und Aggregate) verstanden. Ziel ist es möglichst ideale Mikrosysteme zur Dispergierung mittels Hochdruck zu entwickeln und die Mechanismen, die zum Aufbruch der Agglomerate führen, zu verstehen und gezielt einsetzen zu können. Neben den eigentlichen Dispergierversuchen werden Strömungssimulationen auf Basis von RANS-Modellen und Strömungsmessungen mittels konventioneller „micro particle image velocimetry“ (µPIV) zur Charakterisierung verschiedener Mikrokanalgeometrien eingesetzt.

Die Suspension aus den Agglomeraten und einem Lösungsmittel wird unter Drücken von bis zu 2300 bar durch einen Mikrokanal, an dessen Auslass Umgebungsdruck vorherrscht, geleitet (siehe Abbildung 1). Dabei entstehen mittlere Geschwindigkeiten von bis zu 400 m/s. Durch die resultierenden Beanspruchungen im Fluid werden die Agglomerate aufgebrochen.

 

 

 

 

Abb. 1: Mikrosystemfoto (links); Funktionsprinzip zur Dispergierung in Mikrosystemen (rechts)

Die innerhalb der Forschergruppe entwickelten Mikrosysteme aus Edelstahl oder Silizium und Glas liegen jeweils als Plättchen mit einem oberflächlich eingebrachten Mikrokanal vor. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Vielfalt der möglichen Kanalstrukturen. Um diesen Vorteil nutzen zu können wurde von diesem Teilprojekt eine Aufnahme für die Mikrosysteme entwickelt, die einen leichten Austausch und gleichzeitig auch bei hohen Drücken die Dichtigkeit gewährleistet und somit eine reversible Anbindung an die Hochdruckanlage ermöglicht.

Um die Strömung mittels µPIV und das Auftreten von Kavitation untersuchen zu können, wurde die Mikrosystemaufnahme mit der Möglichkeit eines optischen Zugangs ausgestattet. Dadurch können Strömungsmessungen bei Eingangsdrücken bis derzeit 500 bar durchgeführt und als Validierung für die CFD-Simulationen eingesetzt werden (siehe Abbildung 2).

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 2: µPIV-Messaufbau; Strömungsmessung am Blendenaustritt eines Mikrokanals

Die Ergebnisse zeigen, dass die Mikrokanalgeometrie und die Mikrokanaldimensionen einen erheblichen Einfluss auf die Dispergiereffektivität der Mikrosysteme haben. Dabei besteht eine Abhängigkeit zwischen der Dispergiereffektivität bestimmter Geometriearten und der Mikrokanalhöhe.

Weiterführend sollen mehrere Mikrosysteme (Dispergierung, Voremulgierung, Emulgierung) seriell und teilweise parallel geschaltet werden um den Prozess der Herstellung von Lipidnanopartikeln in einem einzelnen Mikrosystem zu verwirklichen. Auch hier soll aus Flexibilitäts- und Wartungszwecken eine reversible und an verschiedene Prozesse adaptierbare Konstruktion den Austausch einzelner Module erlauben. Dieses Mikrogesamtsystem eignet sich aufgrund der geringen Dimensionen und den damit einhergehenden geringen Volumenströmen gerade im pharmazeutischen Bereich besonders zum Screening von teuren Produkten.

Nähere Informationen zu diesem Projekt sind der Projektwebseite zu entnehmen.


Mitarbeiter

Aktuelle Projekte

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FOR 2021 “Wirkprinzipien nanoskaliger Matrixadditive für den Faserverbundleichtbau“ mehr

Prozess- Eigenschafts-Beziehungen einer nanopartikulären Beschichtung zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften mehr

Steuerung und Modellierung der Aggregation und Redispergierung gefällter Nanopartikel mehr

Dynamische Prozessmodelle für die Feinstzerkleinerung und -dispergierung mehr

 

Abgeschlossene Projekte

Entwicklung einer Methode zur Messung der Dispergiereigenschaften von Partikelaggregaten und -agglomeraten mehr

Dispergierung von Nanopartikeln mehr

Verbundprojekte


Mikropart – Mikrosysteme für partikuläre Life-Science-Produkte mehr

Nanostrukturierte Kompositmaterialien – von der Entwicklung in die Produktion mehr

Virtuelles Institut “Nanotechnologie in Polymerkompositwerkstoffen” mehr

BMBF-Projekt “Industrielle Sol-Herstellung und Beschichten von flexiblen Trägersubstraten mit nanoskaligen Sol-Gel-Materialien (SolGel)” mehr