Die DFG-Forschergruppe 856 "Mikrosysteme für partikuläre Life-Science-Produkte" kurz mikroPART wird von 7 unterschiedlichen Instituten der TU-Braunschweig getragen und ist in 8 Teilprojekte gegliedert.  Gemeinsames Ziel ist es Methoden und Regeln für den Einsatz von partikelbeladenen Strömen in Mikrosystemen zu entwickeln. Während für Prozesse mit reinen Flüssigkeiten der Einsatz von Mikrosystemen weitestgehend etabliert und industriell auf dem Vormarsch ist, sind bislang nur wenige Prozesse mit partikelbeladenen Strömungen in Mikrosysteme umgesetzt worden. Die Gründe dafür sind insbesondere die Gefahr von Ablagerungen, Verstopfungen und Verschleiß. Die besonderen Eigenschaften von Mikrosystemen wie z.B. ein sehr hoher Stoff- und Wärmetransport, ultraschnelles Vermischen, die Möglichkeit kontinuierlicher Prozessführung, definierte und enge Verweilzeitverteilungen sowie eine geringe Systemträgheit würden aber auch bei partikelbehafteten Prozessen deutliche Vorteile bieten. Damit einhergehend könnten Produktqualitäten erzielt werden, die bislang mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich waren, sowie Selektivität und Ausbeute deutlich verbessert werden. Durch die Möglichkeit sehr geringe Volumina zu verarbeiten, sind diese Mikrosysteme vor allem für den Einsatz als Screening-Instrumente prädestiniert.
Die Braunschweiger Forschergruppe hat zwei Beispielprozesse ausgewählt anhand derer sie das Verhalten von Partikeln in Mikrosystemen untersuchen und gezielt beeinflussen will: Einen Mikrobioreaktor sowie ein Mikrosystem zur Herstellung von wirkstoffbeladenen Lipidnanopartikeln.
Mit Hilfe der Verwendung einer größeren Anzahl Mikrobioreaktoren (siehe Abb. 1) sollen später die günstigsten Parameter für die Kultivierung von Mikroorganismen (z.B. Bäckerhefe) in einem Fermenter in vergleichsweise kurzer Zeit und mit vergleichsweise geringen Kosten ermittelt werden. Herausforderungen sind unter anderem das Zurückhalten der Zellen in den Mikrosystemen, die kontrollierte Nährstoff- und Sauerstoffzufuhr und die Messung der Fluid- und Partikelströmung mittels Mikro-Particle-Image-Velocimetry.

Für die Herstellung der wirkstoffbeladenen Lipidnanopartikeln muss zunächst die Lipidphase mit den Wirkstoffen (z.B. Proteine oder auch anorganische Lichtschutzpigmente) vermischt, dispergiert und in der kontinuierlichen Wasserphase voremulgiert werden (siehe Abb. 2). Im nächsten Prozessschritt folgt die eigentliche Emulgierung der wirkstoffbeladenen Lipidphase zu Tropfen im Nanometerbereich, die abschließend kontrolliert abgekühlt und zu Lipidnanopartikeln kristallisiert werden.  

In beiden Prozessen werden von den verschiedenen Teilprojekten unterschiedliche Gesichtspunkte bearbeitet. Die Entwicklung und Herstellung der Mikrosysteme wird vom Teilprojekt A1 (Institut für Mikrotechnik, Prof. Büttgenbach) durchgeführt. Zur Minimierung von Ablagerungen und Verschleiß werden im Teilprojekt A2 (Institut für Oberflächentechnik, Prof. Klages) die Oberflächen modifiziert. Das Design und die Sensorik des Mikrobioreaktors wird im wesentlichen vom Teilprojekt B1 (Institut für Bioverfahrenstechnik, Jun. Prof. Franco-Lara, Dr. Krull) übernommen. Das Mikrosystem zur Herstellung von Lipidnanopartikeln hingegen wird von den Teilprojekten B2 und B3 (Institut für Partikeltechnik (Prof. Kwade, Dr. Kampen; Sprecher und Geschäftsführer der Forschergruppe) und Institut für Pharmazeutische Technologie (Prof. Müller-Goymann, Prof. Bunjes)) bearbeitet. Die kontrollierte Abkühlung und Kristallisation wird vom Teilprojekt C2 (Institut für chemische und Thermische Verfahrenstechnik) untersucht. Die auftretende Strömung wird mittels Micro-Particle-Image-Velocimetry vom Teilprojekt C1 (Institut für Strömungsmechanik,  Prof. Kähler) gemessen und vom Teilprojekt C3 (Instituts für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen, Prof. Krafczyk und Institut für Strömungsmechanik Prof. Radespiel) simuliert.
Durch die interdisziplinäre Zusammenstellung der Forschergruppe und die Auswahl der beschriebenen Modellprozesse wird eine ganzheitliche Betrachtung des Themenfelds Partikel in Mikrosystemen ermöglicht. Dies ist die Grundlage zur Schaffung von Regeln für die Auslegung und den Betrieb von Mikrosystemen für Prozesse mit Partikeln.


A Entwicklung, Herstellung und Beschichtung von Mikrosystemen

A1 Prof. Dr. rer. nat. S. Büttgenbach
    Institut für Mikrotechnik
    „Entwicklung und Herstellung von Mikrosystemen für partikuläre Life-Science-Produkte“
    (Kurzbezeichnung „Mikrosysteme“)

A2 Prof. Dr. rer. nat. C.-P. Klages
    Institut für Oberflächentechnik
    „Optimale chemische Oberflächengestaltung von Mikrosystem-Komponenten für
    partikuläre Life-Science-Produkte“ (Kurzbezeichnung „Oberflächen“)
 

B Herstellung, Formulierung und Anwendung von partikulären Life-Science-Produkten

B1 Jun.-Prof. Dr.-Ing. E. Franco-Lara, apl. Prof. Dr. rer. nat. R. Krull
    Institut für Bioverfahrenstechnik
    „Entwicklung eines Mikroreaktorsystems als Screening-Instrument für biologische Systeme“
    (Kurzbezeichnung „Bioreaktoren“)

B2 Prof. Dr.-Ing. A. Kwade, Dr.-Ing. I. Kampen
    Institut für Partikeltechnik
    „Mikrokomponenten zur Dispergierung und zur Charakterisierung von Partikeln“
    (Kurzbezeichnung „Partikel“)

B3 Prof. Dr. rer. nat. C. C. Müller-Goymann, Prof. Dr. rer. nat. H. Bunjes
    Institut für Pharmazeutische Technologie
    „Untersuchung von Mikrosystemen zur Herstellung nanoskaliger Arzneistoff-Trägersysteme“
    (Kurzbezeichnung „Arzneistoffträger“)
 

C Untersuchung der partikelbeladenen Strömung in Mikrosystemen

C1 Dr. rer. nat. C. Kähler
     Institut für Strömungsmechanik
     „Untersuchungen zum Impuls-, Wärme- und Stoffaustausch in Mikrosystemen durch µPIV und µLIF“
     (Kurzbezeichnung „µPIV“)

C2 Dr.-Ing. W. Augustin, Prof. Dr.-Ing. S. Scholl
    Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
    „Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen partikulären Systemen und
    mikrostrukturierten Oberflächen in mikrofluidischen Komponenten“
    (Kurzbezeichnung „Wärmeübertragung“)

C3 Prof. Dr. Rolf Radespiel, Prof. Dr. Manfred Krafczyk
    Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
    „Simulation von Strömungen in Dispergierkanälen und Mikrobioreaktoren"
    (Kurzbezeichnung „Simulation“)