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Biomimetischer Prozesssensor

Prozessanalysetechnik in chemischen und biotechnologischen Prozessen

Sensor_klein

Ein vielseitig einsetzbares Sensorsystem für Fermentationsprozesse, das sich individuell an den gewünschten Prozess anpassen lässt, wäre von großem wirtschaftlichem Interesse.

Die Konzentration von Zielsubstanzen in Fermentationsprozessen könnte direkt, markierungsfrei und zeitaufgelöst erfasst werden, ohne dass eine Probenahme notwendig ist. Wir entwickeln einen In line-Prozesssensor, welcher an der Fermenter-Innenseite installiert werden und durch ein transparentes Deckglas von außen ausgelesen werden kann. Um dies zu erreichen, werden sensitive Schichten auf Basis molekular geprägter Nanopartikel (nanoMIPs) erzeugt und kovalent auf Glassubstraten immobilisiert.

Die Wechselwirkung zwischen den Zielsubstanzen und der sensitiven Schicht wird hierbei mittels 1-l-Reflectometric interference sensing (1-l-RIfS) von außerhalb des Fermenters berührungsfrei ausgelesen. Die Anforderungen an ein solches Sensorsystem, speziell für Fermentationsprozesse, sind bedingt durch das komplexe Probenmedium entsprechend hoch.

Sensor_Partikel_REM_Aufnahme_klein

REM-Aufnahme einer Transducer-
oberfläche, die mittels Cu (I)-katalysierter
Azid-Acetylen Cycloaddition
mit nanoMIPs beschichtet wurde.

Der große Vorteil in der Verwendung molekular geprägter polymerer Nanopartikel als sensitiver Schicht in Sensoren ist neben ihrer hohen Robustheit die enorm große Oberfläche, welche durch die Nanopartikel bereitgestellt wird. Zudem sollten sich Matrixeffekte, wie die unspezifische Adsorption von Bestandteilen der Fermentationsbrühe auf der Sensoroberfläche, gut herausfiltern lassen. Geprägtes sowie ungeprägtes Polymer (NIP) unterscheiden sich nicht in der chemischen Zusammensetzung, sondern nur in der dreidimensionalen Anordnung der funktionellen Gruppen.

Sensor_AFM_Aufnahme_klein
AFM-Aufnahme einer Transducer-
oberfläche, die mittels Cu (I)-katalysierter
Azid-Acetylen Cycloaddition
mit nanoMIPs beschichtet wurde.

Die Immobilisierung der Partikel konnte über die Cu(I) katalysierte Azid-Acetylen Cycloaddition und über die Thiol-En-Klick-Reaktion reproduzierbar durchgeführt werden, nachdem die Partikel in einem Syntheseschritt für die Azid-Acetylen Cycloaddition mit den entsprechenden Funktionalitäten ausgestattet waren.

Um das Signal für die RIfS zu erhöhen müssen dichtere Schichten oder weitere Lagen an Polymerpartikeln auf der Oberfläche immobilisiert werden. Die nebenstehenden REM- und AFM-Aufnahmen geben die Topographie der Beschichtung der Transduceroberfläche mit Partikeln wider. Getestet wird der In line-Prozesssensor für einen Prozessschritt im Ligninaufschluss sowie für die fermentative Herstellung von PenG.

 

 



Förderung und Projektpartner

Das Projekt wird vom BMBF gefördert und zusammen mit der Universität Tübingen, Institut für Physikalische Chemie AK Prof. Günter Gauglitz durchgeführt.



Ansprechpartner
Name: Dr. Monika Bach