Fachbereich Analysemesstechnik

Der fortschreitende Grad der Automation und Miniaturisierung in der Bio- und Medizintechnik erfordert den Einsatz moderner und vor allem schneller Messmittel zur kontinuierlichen Gewinnung von Prozessdaten. Im Fachbereich Analysemesstechnik werden innovative Werkzeuge zur messtechnischen Überwachung von Prozessen in den angewandten Lebenswissenschaften (Life Sciences) erforscht.

Schwerpunkt der Forschung: Impedanzspektroskopie

  • Schnelle Charakterisierung biologischer Materialien mittels breitbandiger elektrischer Impedanzspektroskopie (EIS) im Frequenzbereich von einigen mHz bis zu 100 GHz. Schnelle Methodenmit Kleinsignalanregung dienen dabei der Erfassung von schnell veränderlichen oder elektrisch nichtlinearen Eigenschaften (zeitvariante und nichtlineare Objekte).
  • Die Messung mittels Impedanzspektroskopie beruht auf der Wechselwirkung von Ionen und Elektronen an der Grenz- bzw. Oberfläche zwischen Leitern und Elektrolyten.
  • Veränderungen an Grenzflächen werden frequenzabhängig erfasst. Eigenschaften an Grenzflächen können durch elektrische Signale frequenzabhängig beeinflusst werden.
  • Die Bioimpedanz kann als Marker zur schnellen und minimal- bzw. nichtinvasiven Charakterisierung biologischer Objekte eingesetzt werden.
  • Realisierung von In- und Online-Analytik für Applikationen in der Bio-, Medizin- Lebensmittel- und Umwelttechnik.
  • Partner für KMU’s bei der Entwicklung von Messsystemen.
  • Wir bieten problemangepasste Komplettlösungen für die Forschung und Industrie.
  • Projekte
    • Entwicklung eines innovativen Messmodules zur Bestimmung der mikrobiellen Inaktivierungsleistung von UV-Hygienisierungsanlagen

      Die Entkeimung bzw. Eliminierung von Krankheitserregern im Trinkwasser spielt eine eminentwichtige Rolle. UV-Hygienisierungsanlagen erfüllen diese Funktion zuverlässig. Schwachpunkte dieser Technologie sind die begrenzte Lebensdauer der UV-Strahler und die Reduzierung der UV-Leistung durch Fouling und Biofilme. Daher ist eine verlässliche On-line-Funktionskontrolle für ein solches Desinfektionssystem in vielerlei Hinsicht extrem wichtig. In diesem Projekt wurde ein Messmodul für die Anreicherung und Detektion der Keime in der UV-Desinfektionsanlage des Projektpartners UST entwickelt. Das immense Alleinstellungsmerkmal dieses Systems ist diesmarte Kopplung von Dielektrophorese, Pulsation und schnelle Impedanzspektroskopie für die Anreicherung und Messung der noch lebenden Keime auf den Elektroden. Im Ergebnis dieses Projektes entstand ein optimiertes computergesteuertes Messmodul mit integrierter Elektronik. Dieses kann universell an verschiedene Prozesse, die den physiologischen Zustand suspendierter Mikroorganismenpopulation untersuchen, angepasst werden.

    • Monitoring von Klärwerksabwässern auf organische Spurenstoffen (Arzneimittel, Antibiotika, Hormone)

      In den letzten Jahren ist eine rasante Zunahme der Belastung von Abwässern mit Medikamentenrückständen (z.B. Diclofenac, Estradiol, Sulfamethoxazol) zu beobachten. Die Folge ist eine Reihe unerwünschter, unkalkulierbarer und sogar gesundheitsschädigender Auswirkungen auf den Menschen und andere Spezies. Daher arbeitete das iba gemeinsam mit Partnern an der Entwicklung einer modularen Gerätelösung, welche die organischen Spurenstoffe automatisiert vor Ort bestimmte und das Ergebnis für die verschiedensten Endgeräte visualisierbar aufbereitete. Dazu wurden neuartige Sensoren für Diclofenac und Doxorubicin auf Basis spezifischer Aptamereentwickelt. Aptamere sind kurze einzelsträngige DNA- oder RNA-Oligonukleotide, die einen Analyten anhand ihrer dreidimensionalen Struktur erkennen können. Eine intelligenteselbstlernende Software und ein neuartiges Gerätekonzept komplementierten diese Entwicklungen. Das iba entwickelte in diesem Projekt eine sensitive Referenzanalytik auf der Basis der Chromatografie, eine automatisierte Messanordnung für die Messkartusche für bis zu acht Sensoren und eine innovative Messmethode. Diese nutzte die elektrische Impedanzspektroskopie, mit der die Messwerte in kürzester Zeit errechnet und visualisiert werden könnten. Diese Messanordnung kann durch den Einsatz passender Rezeptoren an diverse analytische Aufgabenstellung angepasst werden.

    • Entwicklung einer neuen bioreaktiven Membrantechnik für die Abwasserbehandlung

      In einem Verbund aus Industrieunternehmen und Forschungseinrichtung aus Thüringen sowie einer belgischen Forschungseinrichtung wurden auf der Basis einer innovativen Membran-Bioreaktor-Technik Verfahren und Verfahrenskombinationen zur biologischen Abwasserbehandlungentwickelt. Diese Verfahren basierten auf dem Einsatz immobilisierter hochleistungsfähiger Mikroorganismen und gestatteten die Reinigung von Abwässern, die mit toxischen bzw. schwerabbaubaren Schadstoffen belastet waren (CSB, Schwermetalle, Phenole, PAK, chlorierte KW, Tenside u.a.m.). Der Membranbioreaktor war so konstruiert, dass die verwendete Membran einen Abwasserkreislauf von einem Nährstoffkreislauf trennte. Die Membran diente gleichzeitig als Grundlage zum Aufwachsen eines Biofilms. Im Gegensatz zu den sonst in der Abwasserbehandlung eingesetzten Membranmodulen erfolgte hier jedoch kein Stoffdurchtritt durch die Membran. Abwasser und Nährstofflösung flossen tangential über die Membranoberfläche. Durch diese spezielle biologische Behandlungsmethode reduzierte sich der Energieeinsatz bei der Abwasserreinigung deutlich. Die universelle Auslegung der Membranreaktoren gestattet zukünftig eine Anpassung an beliebige andere Problemabwässer.

    • Entwicklung eines innovativen membranbasierten Verfahrens zur Herstellung von Pharmaka

      Paclitaxel, bekannter unter dem Warenzeichen Taxol®, ist ein wirksames Zytostatikum. Die therapeutischen Anwendungen sind erheblich und haben steigende Tendenz. Das wissenschaftliche Ziel dieses Projektes war daher die Entwicklung eines innovativen und nachhaltigen biotechnologischen Verfahrens zur Synthese dieses therapeutischen WirkstoffsTaxol®. Das technische Ziel war die Entwicklung eines vollautomatisierten Membran-Kontaktors, welcher zur Synthese und in-situ Extraktion der entstehenden Reaktionsprodukte entwickelt wurde. Er kann auch für andere membrangestützten Prozesse eingesetzt werden, z.B. zur Wirkstoffextraktion. Es wurde zusätzlich eine adaptierten at-line HPLC-Prozessanalytik entwickelt sowie aktivierte Derivate der Seitenketten im Bereich bis 1.000 mg hergestellt werden. Ein impedimetrischer Biosensor auf der Basis eines Nickel-NTA-Komplexes zur Bestimmung der Expressionsrate des rekombinanten Enzyms wurde ebenfalls erforscht. Zukünftige Anwendungsgebiete sind Membran(bio)reaktoren, mit denen durch die Membran zwei Reaktionsräume entstehen, wobei in einem die biokatalytische Umsetzung und im anderen die Produktextraktion erfolgen.

    • Einsatz der Hochleistungs-Sequencing-Batch-Reaktor-Technologie sowie der Pervaporation mithydrophoben Zeolithmembranen zur effektiven und energiesparenden Bioethanolerzeugung

      Ziel dieses Forschungsvorhabens war ein wettbewerbsfähiges, energetisch effizientes Verfahrenzur Herstellung von Bioethanol. Dafür wurde die Hochleistungs-Sequencing-Batch-Reaktor-Technologie (HSBR-Technologie) unter Einsatz realer Gärsubstrate für Bioethanolanlagen der zweiten Generation mit einer im Vergleich zu bisherigen Anlagen deutlich höheren Raum-Zeit-Ausbeute weiterentwickelt und optimiert. Das Teilvorhaben des iba konzentrierte sich auf die Entwicklung und Optimierung der Messtechnik für die prozessangepasste Fermentationssteuerung auf Basis der dielektrischen und akustischen Spektroskopie. Als Basis für die Untersuchungenwurde ein prozessadaptierter Bioreaktor im 10-Liter-Maßstab aufgebaut und mit einem innovativen Multisensorsystem   für die Charakterisierung des Reaktorinhaltes, der Sedimentation, der Gasphase und des Kondensates ausgerüstet. Ein Gassensor bestimmte den Kohlendioxidgehalt in der Prozessluft. Darauf aufbauend wurde eine automatische Zyklussteuerung realisiert. Mit dieser wurde prozessangepasst der nächste Zyklus gestartet, sobald das Substrat aus dem aktuellen Zyklus verbraucht war. Ein Ultrabreitband-Mikrowellenmesssystem mit einer Koaxialsonde im Messfenster diente zur Online-Bestimmung der Zellmasse sowie der Hefesedimentation. Aus den so gewonnenen Datensätzen erfolgte eine Merkmalsextraktion für den Entwurf multivarianter Regressionsmodelle auf Basis von statistischen und numerischen Methoden. Dieser innovative, messtechnisch voll ausgerüstete, Bioreaktor kann in der Biotechnologie als Versuchsreaktor für das „Upscaling“ mikrobieller Prozesse zum klein- und mitteltechnischen Maßstab eingesetzt werden, wobei die Messtechnik entsprechend adaptiert werden kann.

  • Publikationen

    Bahner, N., P. Reich, D. Frense, M. Menger, K. Schieke and D. Beckmann (2017). "An aptamer-based biosensor for detection of doxorubicin by electrochemical impedance spectroscopy." Anal Bioanal Chem.

    Barthel, A., T. Nacke, D. Frense and U. Pliquett (2012). "Electrodes – the challenge in electricalcharacterization of biological material" Journal of Physics: Conference Series 407: 012027.

    Beutel, S., A. Müller, D. Frense, R. Ulber and T. Scheper (1998). "Immobilization ofTransmembrane Proteins in Liquid Crystal Systems." Chemical Engineering & Technology 21(7):575-579.

    Beutel, S., A. Müller, D. Frense, R. Ulber and T. Scheper (1998). "Transmembranprotein-Einlagerungen in flüssigkristallinen Systemen." Chemie Ingenieur Technik 70(7): 874-878.

    Cahill, B. P., A. T. Giannitsis, R. Land, G. Gastrock, U. Pliquett, D. Frense, M. Min and D.Beckmann (2010). "Reversible electrowetting on silanized silicon nitride." Sensors and Actuators B:Chemical 144(2): 380-386.

    Frense, D. (2007). "Taxanes: perspectives for biotechnological production." Applied Microbiologyand Biotechnology 73(6): 1233-1240.

    Frense, D., R. Haftendorn and R. Ulbrich-Hofmann (1995). "2-Modified 1,3-diacylglycerols as newsurfactants for the formation of reverse micelles." Chemistry and Physics of Lipids 78(1): 81-87.

    Frense, D., S. Kang, K. Schieke, P. Reich, A. Barthel, U. Pliquett, T. Nacke, C. Brian and D.Beckmann (2013). "Label-free impedimetric biosensor for thrombin using the thrombin-bindingaptamer as receptor." Journal of Physics: Conference Series 434(1): 012091.

    Frense, D., U. Lange and W. Hartmeier (1996). "Immobilization of Candida rugosa lipase inlyotropic liquid crystals and some properties of the immobilized enzyme." Biotechnology Letters18(3): 293-298.

    Frense, D., W. Liebsch, D. Lisicki, T. Nacke, I. Mock and D. Beckmann (2004). "Integriertes Systemzum Nachweis von Verfälschungen der Milch." Chemie Ingenieur Technik 76(9): 1397-1397.

    Frense, D., P. Miethe, M. Langwald and K. H. Mohr (1992). "Epoxidation in lyotropic mesophases."Biotechnology Letters 14(2): 93-98.

    Frense, D., P. Miethe and R. Ulbrich-Hofmann (1994). "Diffusion in lyotropic mesophases used asmatrix for biocatalysts in organic solvents." Biotechnology Techniques 8(9): 611-614.

    Frense, D., K. H. Mohr and R. Ulbrich-Hofmann (1993). "A redox probe dye to estimate metabolicactivity of cells immobilized in organic solvents via reverse micelles and lyotropic mesophases."Biotechnology Techniques 7(6): 407-410.

    Frense, D., A. Müller and D. Beckmann (1998). "Detection of environmental pollutants using opticalbiosensor with immobilized algae cells." Sensors and Actuators B: Chemical 51(1-3): 256-260.

    Pflieger, C., M. Becker, D. Beckmann, D. Frense, J. Hensel, T. Hornbogen, G. Lauckner, D. Lisickiand R. Zocher (2006). "Membrangestützte Extraktion bei enzymatischen Reaktionen inAnwesenheit organischer Lösungsmittel." Chemie Ingenieur Technik 78(1‐2): 120-123.

    Pliquett, U., A. Barthel, T. Nacke, D. Frense, L. Diaz, Y. Zaikou, A. Rudolph, C. Pflieger, M.Westenthanner and D. Beckmann (2012). Fast broad bandwidth bioimpedance measurement - theuse of square wave excitation and non-uniform sampling. Electronics Conference (BEC), 201213th Biennial Baltic.

    Pliquett, U., D. Frense, M. Schönfeldt, C. Frätzer, Y. Zhang, B. Cahill, M. Metzen, A. Barthel, T.Nacke and D. Beckmann (2010). "Testing miniaturized electrodes for impedance measurementswithin the ß-dispersion – a practical approach." Journal of Electrical Bioimpedance 1(1): 41-55.

    Pliquett, U., M. Schönfeldt, A. Barthel, D. Frense and T. Nacke (2010). "Offset-free bidirectionalcurrent source for impedance measurement." Journal of Physics: Conference Series 224(1):012009.

    Pliquett, U., M. Schonfeldt, A. Barthel, D. Frense, T. Nacke and D. Beckmann (2011). "Front endwith offset-free symmetrical current source optimized for time domain impedance spectroscopy."Physiol Meas 32(7): 927-944.

    Reich, P., R. Stoltenburg, B. Strehlitz, D. Frense and D. Beckmann (2017). "Development of AnImpedimetric Aptasensor for the Detection of Staphylococcus aureus." International Journal ofMolecular Sciences 18(11): 2484.

    Watzlawik, J., L. Skora, D. Frense, C. Griesinger, M. Zweckstetter, W. J. Schulz-Schaeffer and M.L. Kramer (2006). "Prion Protein Helix1 Promotes Aggregation but Is Not Converted into β-Sheet."Journal of Biological Chemistry 281(40): 30242-30250.

  • Mitarbeiter
    Prof. Dieter Beckmann

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