Development and characterization of a microfluidic magnetic oscillation reactor for enzymes

Jussen, Daniel; Wiechert, Wolfgang

doi:1866-1807

Development and characterization of a microfluidic magnetic oscillation reactor for enzymes = Entwicklung und Charakterisierung eines magnetischen oszillierenden Mikroreaktors für Enzyme

Jussen, Daniel (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Jussen

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2014

UmfangXX, 130 S., [13] Bl. : Ill.

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Schlüsseltechnologien ; 86

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Online-Ausg.: Jussen, Daniel: Development and characterization of a microfluidic magnetic oscillation reactor for enzymes

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-06-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51168
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/465383/files/5116.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Computational Systems Biotechnology (FZ Jülich) (420410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biokatalyse (Genormte SW) ; Immobilisierung (Genormte SW) ; Naturwissenschaften (frei) ; magnetische Durchmischung (frei) ; magnetic mixing (frei) ; biocatalysis (frei) ; immobilization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 500

Kurzfassung
Die Prozessentwicklung stellt einen der Hauptengpässe bei der Entwicklung von biokatalytischen Prozessen zur Erzeugung von Bulk- und Feinchemikalien dar. Aus diesem Grund sind neue Werkzeuge zur Beschleunigung der Prozessentwicklung und zur Reduzierung der Kosten in den Blickpunkt des Interesses gerückt. Während rechnergestützte Simulationen und das Handling von Kleinstvolumina in Mikrotiterplatten-basierten Plattformen bereits verwendet werden, besteht weiterhin ein Mangel an kontinuierlichen mikrofluidischen Reaktionssystemen für die Prozessentwicklung. In dieser Arbeit wurde der Mikrofluidische Magnetische Oszillationsreaktor (µMORE), ein neues mikrofluidisches Reaktionssystem für die Prozessoptimierung, entwickelt. Der Reaktionsraum wird durch magnetische Partikel, auf denen das Enzym immobilisiert ist, durch Verwendung eines oszillierenden magnetischen Feldes durchmischt. Das Konzept wurde so entwickelt, dass es eine einfache Parallelisierung von mehreren Reaktoren erlaubt. Ein sechs-fach Reaktionssystem wurde konstruiert. Das neue Reaktorsystem wurde entwickelt, charakterisiert und abschließend mit der Benzoylformiatdecarboxylase aus Pseudomonas putida getestet. Dieses Enzym katalysiert die Carboligation von Benzaldehyd und Acetaldehyd zu (S)-2-Hydroxypropiophenon. Die Resultate weisen darauf hin, dass das System ein nützliches Werkzeug für die Enzymprozessoptimierung darstellt und dass die gewonnenen Prozessparameter die Maßstabsvergrößerung vom Mikro- in den Labormaßstab ermöglichen.

Process development poses one of the main bottlenecks during development of biocatalytic processes for fine and bulk chemicals. Therefore novel tools to decrease the cost of process development have come into the focus of interest. While modelling and small scale liquid handling in multi well based platforms are already employed, there is still a lack of continuous microfluidic reaction systems for enzyme process development. In this thesis the magnetic oscillation reactor for enzymes (µMORE), a novel continuous microfluidic reactor concept for process optimization has been developed. The system is mixed by magnetic beads, on which the enzyme is immobilized, by utilization of an oscillating magnetic field. The concept has been designed to allow for simple parallelization of multiple reactors. A six-fold enzyme microreactor system was constructed. The novel reactor system was developed, characterized and finally tested with benzoylformate decarboxylase from Pseudomonas putida. This enzyme catalyzes the carboligation of benzaldehyde and acetaldehyde to (S)-2-hydroxypropiophenone. The results indicate that the system provides a useful tool for enzyme process optimization, generating process parameters that are useful for scale up of the process from micro- to bench scale.

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