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Posts Tagged ‘Chromatographie’

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Nicht gleichmäßig gepackt

Chromatographie bleibt bei unseren „Projekten des Monats“ ein Dauerbrenner – kein Wunder, denn wenige Verfahren sind so vielseitig einsetzbar. Besonders für makromolekluare Bioprodukte – beispielsweise Proteine für den Einsatz in der Pharmazie – sind präparative Chromatographieverfahren das Mittel der Wahl; sie lassen sich genau auf die wertvollen Produkte anpassen und sind sehr schonend. Doch vor der chromatographischen Trennung kommt das Packen der Säule – das Einfüllen der stationären Phase. Das muss möglichst gleichmäßig geschehen, ohne Hohlräume oder Luftblasen. Allerdings mangelt es an robusten Packmethoden, und oft zeigen sie während des Betriebs eine unzureichende Stabilität. Das liegt daran, dass hydrodynamische Vorgänge während des Packens und des Langzeitbetriebs nicht berücksichtigt werden. In einem Vorhaben der industriellen Gemeinschaftsforschung wollen Wissenschaftler der TUM deshalb verbesserte Packmethoden entwickeln, damit die eingesetzten Medien über lange Zeiträume stabil bleiben. Während des Packvorgangs und des Dauerbetriebs soll dafür Ultraschall eingesetzt werden. Frequenzmodulierte, nicht-kavitierende, überlagerte Ultraschallwellen führen zu einer oszillierenden Bewegung der Chromatographiepartikel, wodurch interpartikuläre Hohlräume minimiert werden – die Teilchen werden quasi „zurechtgeruckelt“, bis sie gleichmäßig und nahezu lückenlos gepackt sind. Durch das homogenere Chromatographiebett erhöht sich unter anderem die Standzeit, also die Dauer, für die die Säule genutzt werden kann.

Chromatographieanlagen werden häufig von kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) betrieben, die Auftragshersteller für die Pharma- und Chemieindustrie sind. Verbesserte Chromatographieverfahren haben für diese KMU eine hohe wirtschaftliche Bedeutung, da durch die Implementierung von neuen Konzepten deutliche Kosteneinsparungen zu erwarten sind. Hierdurch kann ein signifikanter Wettbewerbsvorteil entstehen.

Mehr zum Projekt Verbesserung der Packmethodik und der Betriebsstabilität von Chromatographieverfahren für die präparative Aufreinigung von makromolekularen Bioprodukten (18146 N)

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Für Spätzle super, für Nanopartikel ungeeignet...

Für Spätzle super, für Nanopartikel ungeeignet…

Wie man Kieselsteine aus Sand herausbekommt, weiß jedes Kind: Mit dem Sieb lassen sie sich leicht trennen. Auch Gold kann man von Sand abtrennen, in dem man es „wäscht“; in diesem Fall ist es die unterschiedliche Dichte, auf der die Trennung beruht.

Was aber, wenn man Puderzucker und Mehl voneinander trennen möchte? Zum Sieben sind die Größen- und Massenunterschiede nicht groß genug, die feinen Partikel neigen außerdem dazu, zusammen zu klumpen, also Aggregate zu bilden.

Vor noch viel größeren Problemen steht, wer Nanopartikel im Größenbereich< 20 nm klassieren, also nach Form und Größe sortieren will. Parameter wie die Masse oder Dichte spielen hier eine sehr untergeordnete Rolle. Stattdessen kommen andere Einflüsse wie molekulare Wechselwirkungen oder elektrostatische Kräfte noch viel stärker zum Tragen. Weil die Eigenschaften von Nanopartikeln aber von ihrer Form und Größe entscheidend beeinflusst werden, ist die „Sortierung“ besonders wichtig – man denke nur an Halbleiter oder an Solarzellen, wo große „Klumpen“ die Effizienz senken. Bisher gibt es dafür aber noch keine technisch ausgereiften Verfahren.

Forscher an der Universität Erlangen-Nürnberg wollen das ändern. Sie arbeiten an einem Verfahren zur chromatographischen Trennung von Nanopartikeln nach Form und / oder Größe. Das Prinzip ist einfach: Eine Chromatographiesäule wird mit einer festen Phase bestückt, die festgelegte Porengrößen hat. Je nach ihrer Größe bzw. Form können die Nanopartikel in diese Poren eindringen oder eben nicht. Die, die es nicht können, laufen einfach durch; die anderen machen auf dem Weg durch die Säule diverse „Umwege“ durch die Poren und kommen so deutlich später am Ende an. Dieser Effekt lässt sich zusätzlich beeinflussen, indem man Zusatzstoffe verwendet, die sich an die Oberfläche der Nanopartikel heften und deren Beschaffenheit verändern. In der Biotechnologie wird das bereits erfolgreich für die Klassierung von Proteinen eingesetzt. Die Wissenschaftler wollen nun beispielhaft ein Klassierungssystem für Zinksulfid-, Zinkoxid- und Gold-Nanopartikel entwickeln. Ziel ist es, Unternehmen ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das im technischen Maßstab und kontinuierlich die Klassierung von Nanopartikeln erlaubt. Es könnte bisherige sehr aufwändige Analysemethoden ersetzen und gleichzeitig neue Produktqualitäten erschließen.

Mehr zum Projekt Klassierung von Nanopartikeln (NP) mit Hilfe chromatographischer Verfahren (IGF-Nr. 18037 N)

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Weiterfahren oder erstmal Rast machen? Diese Wahl haben auch Moleküle auf der Chromatographie-Säule [Bild CC BY-SA 2.5 friedrich  via Wikicommons]

Weiterfahren oder erstmal Rast machen? Diese Wahl haben auch Moleküle auf der Chromatographie-Säule [Bild CC BY-SA 2.5 friedrich via Wikicommons]

Die Chromatographie gehört zu den leistungsfähigsten und vielseitigsten Methoden, um Produkte aus chemischen oder biotechnologischen Prozessen zu gewinnen. Das Grundprinzip (passend zur Jahreszeit): Ein Dutzend Skifahrer fährt eine lange Abfahrt hinunter. Drei sind sehr leistungsorientiert und fahren durch, ohne auch nur einmal anzuhalten. Drei kehren unterwegs an einer Hütte ein und trinken einen Kaffee. Drei entscheiden sich für ein Mittagessen, das etwas länger dauert. Und die letzten drei vertreibt der Wirt erst bei Ladenschluss von der Theke. Auch wenn alle zwölf gemeinsam losgefahren sind, kommen sie je nach Typ zu unterschiedlichen Zeiten unten an.

Bei der Chromatographie sind die unterschiedlichen Produkte und Nebenprodukte einer Reaktion die Skifahrer. Sie werden in gelöster Form auf die „Piste“, eine Säule mit einer stationären Phase, geschickt. Die stationäre Phase stellt sozusagen das gastronomische Angebot dar, das auf die verschiedenen Substanzen unterschiedlich attraktiv wirkt.

Biotechnologische Prozesse bringen besondere Voraussetzungen mit. Beispielsweise wird in der Regel– anders als in der „klassischen Chemie“ – Wasser als Lösungsmittel eingesetzt. Deshalb braucht man neue Verfahren für die Gewinnung  von biotechnologischen Produkten aus Mischungen. Eines davon bietet die potentialkontrollierte Flüssigchromatographie. Dabei wird an die stationäre Phase ein elektrisches Potential angelegt. Kaffee, Mittagessen und Aprés-Ski entsprechen dann unterschiedlich starken Ladungen, an denen polarisierbare, polare oder geladene Moleküle unterschiedlich lang aufgehalten werden. Das Besondere: Das Potential lässt sich umschalten, das heißt die stationäre Phase kann im Lauf des Trennungsgangs verändert werden. Dadurch gewinnt man sehr viel mehr Gestaltungsmöglichkeiten für die Stofftrennung.

Bisher fehlen allerdings geeignete stationäre Phasen, die sowohl den Ansprüchen an ein Chromatographiematerial genügen als auch über die Potentiale entsprechend steuerbar sind. Abhilfe soll ein Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung schaffen, an dem Forscher des DECHEMA-Forschungsinstituts, der Technischen Universität München und des KIT in Karlsruhe beteiligt sind. Gemeinsam arbeiten Biotechnologen, Ingenieure und (Elektro-)Chemiker daran, Kriterien für geeignete Materialien zu entwickeln, diese Materialien herzustellen und dann ihren Einsatz für die Reinigung biotechnologischer Produkte zu testen. Bisher sind die Kosten für die Isolierung der Zielprodukte ein Hauptgrund, warum biotechnologische Verfahren nur begrenzt industriell eingesetzt werden. Die Entwicklung neuer Trennverfahren ist deshalb auch wirtschaftlich von großem Interesse.

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Für Spätzle super, für Nanopartikel ungeeignet...

Für Spätzle super, für Nanopartikel ungeeignet…

Wie man Kieselsteine aus Sand herausbekommt, weiß jedes Kind: Mit dem Sieb lassen sie sich leicht trennen. Auch Gold kann man von Sand abtrennen, in dem man es „wäscht“; in diesem Fall ist es die unterschiedliche Dichte, auf der die Trennung beruht.

Was aber, wenn man Puderzucker und Mehl voneinander trennen möchte? Zum Sieben sind die Größen- und Massenunterschiede nicht groß genug, die feinen Partikel neigen außerdem dazu, zusammen zu klumpen, also Aggregate zu bilden.

Vor noch viel größeren Problemen steht, wer Nanopartikel im Größenbereich< 20 nm klassieren, also nach Form und Größe sortieren will. Parameter wie die Masse oder Dichte spielen hier eine sehr untergeordnete Rolle. Stattdessen kommen andere Einflüsse wie molekulare Wechselwirkungen oder elektrostatische Kräfte noch viel stärker zum Tragen. Weil die Eigenschaften von Nanopartikeln aber von ihrer Form und Größe entscheidend beeinflusst werden, ist die „Sortierung“ besonders wichtig – man denke nur an Halbleiter oder an Solarzellen, wo große „Klumpen“ die Effizienz senken. Bisher gibt es dafür aber noch keine technisch ausgereiften Verfahren.

Forscher an der Universität Erlangen-Nürnberg wollen das ändern. Sie arbeiten an einem Verfahren zur chromatographischen Trennung von Nanopartikeln nach Form und / oder Größe. Das Prinzip ist einfach: Eine Chromatographiesäule wird mit einer festen Phase bestückt, die festgelegte Porengrößen hat. Je nach ihrer Größe bzw. Form können die Nanopartikel in diese Poren eindringen oder eben nicht. Die, die es nicht können, laufen einfach durch; die anderen machen auf dem Weg durch die Säule diverse „Umwege“ durch die Poren und kommen so deutlich später am Ende an. Dieser Effekt lässt sich zusätzlich beeinflussen, indem man Zusatzstoffe verwendet, die sich an die Oberfläche der Nanopartikel heften und deren Beschaffenheit verändern. In der Biotechnologie wird das bereits erfolgreich für die Klassierung von Proteinen eingesetzt. Die Wissenschaftler wollen nun beispielhaft ein Klassierungssystem für Zinksulfid-, Zinkoxid- und Gold-Nanopartikel entwickeln. Ziel ist es, Unternehmen ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das im technischen Maßstab und kontinuierlich die Klassierung von Nanopartikeln erlaubt. Es könnte bisherige sehr aufwändige Analysemethoden ersetzen und gleichzeitig neue Produktqualitäten erschließen.

Mehr zum Projekt

Klassierung von Nanopartikeln (NP) mit Hilfe chromatographischer Verfahren. IGF-Nr. 18037 N

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