338 research outputs found
Dextran fouling of polyethersulfone ultrafiltration membranesâCauses, extent and consequences
No full textIn a recent paper [Susanto, Ulbricht, J. Membr. Sci. 266 (2005) 132], we showed that dextran does foul polyethersulfone (PES) ultrafiltration (UF)
membranes by contact of the solution with the membrane surface without flux through the membrane. In this work, dextran fouling was visualized
using atomic force microscopy (AFM) and quantified by ATR-IR spectroscopy and by the mass balance in simultaneous diffusionâadsorption
measurements (SDAM). Good correlations have been found between the water flux reduction due to dextran adsorption and the quantitative data
for bound dextran on the PES membranes. Further, a pronounced effect of dextran size on adsorptive membrane fouling was identified. Contact
angle and zeta potential measurements with non-porous films, where solute entrapment in pores can be ruled out, gave additional clear evidence
for dextran binding on the PES surface. Complementary data for adsorption and fouling of porous membranes and non-porous films by the protein
myoglobin indicated that the larger fouling tendency for protein than for dextran is due to a higher surface coverage of PES by the adsorbed
biomacromolecule layer. Data for batch UF confirm the conclusions from the static contact experiments because significant fouling is observed
for PES membranes (more severe for myoglobin than for dextrans), while no fouling is seen for a cellulose-based UF membrane with the same
nominal cut-off. Finally, two mechanisms for the attractive PESâdextran interaction â multiple hydrogen bonding involving the SO2 groups of PES
and âsurface dehydrationâ of the relatively hydrophobic PES â are discusse
Surface selective hydrogel grafting of ultrafiltration membranes using macromolecular initiators and the application to increase fouling resistance
No full textFouling ist eines der Hauptprobleme bei der Anwendung von Ultrafiltration in der Wasseraufbereitung. Die chemische Modifizierung bestehender Membranen mittels „grafting from“ ist eine lange bekannte Methode um die Foulingresistenz von Membranen zu erhöhen. Andererseits sind entsprechende Methoden häufig nicht wirtschaftlich, da sie entweder schwierig aufzubringen sind, oder die Membraneigenschaften zu stark beeinflussen. Das Ziel dieser Arbeit war es, eine Methode zu entwickeln welche sehr oberflächenselektiv und einfach anzuwenden ist. Dazu wurden neuartige makromolekulare Initiatorsysteme entwickelt, welche in einem ersten Schritt auf der Membranoberfläche adsorbierten. In einem zweiten Schritt wurde der Initiator verwendet um ein polymeres Hydogelnetzwerk auf der Membran aufwachsen zu lassen. Ein thermischer Initiator wurde durch polymeranaloge Modifizierung eines polystyrol-co-maleinsäureanhydrid Copolymers mit Cumyl- und ter.Butyl hydroperoxid oder einer azo-funktionalen Gruppe hergestellt. Ein redox Co-initiator wurde durch Copolymerisation von N,N-Dimethylaminoethyl methacrylate und Butylmethacrylat hergestellt. Beide Systeme wurden bezüglich ihrer kolloidalen Eigenschaften wie kritischer Mizellbildungskonzentration und kritischem Wassergehalt untersucht. Das Adsorptionsverhalten auf Modelloberflächen aus dichten Polyethersulfon (PES) filmen wurde mittels Oberflächenplasmonenresonanz, Quarzkristallmikrowaage und Ellipsometrie untersucht. Geeignete Bedingungen, welche zur Bildung einer Fest adsorbiterten Monolage führen konnten für alle Initiatorsysteme gefunden werden. Mittels In Situ Rheologie, wurde die Initiatoraktivität unterucht. Die redox Co-initiatoren zeigten eine hohe Initiatoraktivität. Bei den thermischen Initiatoren, zeigte der Azo basierte Initiator keine Aktivität, wogegen die Peroxid basierten Initiatoren bei 65 °C eine gute Leistung zeigten. Das zwitterionische [3-(methacryloylamino) propyl] dimethyl (3-sulfopropyl) ammonium hydroxid (SPP) wurde als Monomer zur Membranfunktionalisierung verwendet. N,N´-methylenebis(acrylamid) (MBAA) wurde als Vernetzer genutzt. Es konnte gezeigt warden, dass beide Initiatorsysteme generell geeignet sind um Membranen zu modifizieren. Aufgrund der besseren Anwendbarkeit, wurde der redox Co-initiator für weitere Studien verwendet. Der Effekt der Modifizierung auf die Oberflächenchemie wurde mittels Kontaktwinkel, Zeta Potential, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und SIMS-mapping untersucht. Veränderungen in der elementaren Zusammensetzung der Oberfläche zeigten eine erfolgreiche Modifizierung.
Fouling tests wurden mit Inge Multibore® PES Kapillarmembranen und Flachmembranen mit ähnlichen Eigenschaften durchgeführt. Tests mit Rinderserum Albumin zeigten eine erhöhte Resistenz gegen Proteinfouling unter statischen und Filtrationsbedingungen. Tests mit Extrakten aus einem Membranbioreaktor (EPS und SMP) zeigten ebenfalls eine erhöhte Foulingresistenz. Filtrationsversuche mit einem Extrakt aus Blumenerde zeigten erhöhte Foulingresistenz sowie einen erhöhten TOC rückhalt. Darüberhinaus konnte in verschiedenen Versuchen gezeigt werden, dass die modifizierten Membranen eine hohe chemische und mechanische Stabilität aufweisen. Letztendlich wurde die Modifizierungsmethode in Moulen im Technikumsmaßstab angewendet. Insbesondere die leichte Anwendbarkeit auch in fertigen Membranmodulen, lassen eine Weiterentwicklung der gezeigten Methoden Sinnvoll erscheinen.Fouling is a major challenge when applying ultrafiltration in water treatment. Membrane grafting is a long known possibility to increase the inherent fouling resistance of polymeric ultrafiltration membranes. On the other hand, many available techniques are not widely established, because they either strongly influence the membrane performance or are not easy to apply and thus not feasible. The aim of the work presented here, was to establish a new grafting technique that is surface selective and easy to apply in ready to use membrane modules. This goal was to be achieved via a new macromolecular initiator that is adsorbed to the membrane selective layer in a first step. Due to its high molecular weight, the initiator is completely rejected by the membrane. In the second step, the initiator activity is used to graft a zwitterionic hydrogel on the membrane surface. A copolymer of butyl methacrylate as adhesive group and N,N-dimethylaminoethyl methacrylate as redox co-initiator was synthesized with varying ratios of both monomers. A thermal macroinitiator was synthesized by modifying a commercial polystyrene-co-maleic anhydride copolymer with a new azo functional group as well as the organic hydroperoxides cumyl- and tert. butylhydroperoxide. The initiator systems were characterized regarding their behaviour in solvent mixtures by measurements of critical water content and critical micelle concentration. The adsorptive behaviour to polyethersulfone (PES) model surfaces was surveyed via surface plasmon resonance, quartz crystal microbalance and ellipsometry. Suitable conditions leading to a strongly adsorbed monolayer were found for all systems. The initiator activity was surveyed by in situ rheology. A high activity was found for the redox co-initiator system. No activity was found for the azo modified copolymer, while the hydroperoxide based thermal initiators showed a good performance at 65 °C. Zwitterionic [3-(methacryloylamino) propyl] dimethyl (3-sulfopropyl) ammonium hydroxide (SPP) was used as the monomer for membrane modification and N,N´-methylenebis(acrylamide) (MBAA) was used as a cross-linker. It could be proven that both initiator systems are generally suitable for surface selective membrane modification. Since the redox co-initiator caused less unspecific polymerization in the membrane support, this system was used for further studies focusing on membrane performance. The effect of grafting on the membrane surface chemistry was surveyed on PES flat sheet membranes using contact angle, zeta potential, X-ray photospectroscopy and SIMS-mapping. It was found that the modification leads to a more neutral surface charge and higher hydrophilicity. Changes in the elemental composition of the surface indicated that these changes are correlated to successful surface modification.
Fouling tests were performed using Inge Multibore® PES capillary membranes as well as flat sheet samples produced by BASF with similar properties like the Multibore®. The capillaries were potted in filtration modules of different sizes. Fouling tests with bovine serum albumin revealed an increased resistance towards protein fouling in static adsorption tests and during filtration. Tests with extracts from membrane bioreactors (EPS and SMP) showed an increased fouling resistance for the modified membranes. Filtration tests with flower soil extract showed improved anti fouling properties and an increase in TOC rejection due to the modification. Furthermore a good chemical and mechanical stability of the grafting layer could be proven by multiple tests applying or simulating chemical enhanced back wash procedures. Finally the modification was applied in pilot scale modules which are currently surveyed in a long term test.
The developed macromolecular redox co-initiator is well applicable and can be optimized for other membrane types and materials in future work. Also it may be used to graft other polymers on membranes to further improve fouling resistance or other desired properties like MWCO or biocompatibility. Especially the good applicability in membrane modules and the high stability of the grafted layers are expected to make the presented method a versatile and feasible alternative for established techniques. Future work should focus on optimization of the grafting conditions and evaluation of other hydrogel systems to improve the benefits of the grafting
Stalinism and survival: The political motives of Walter Ulbricht
No full textWalter Ulbricht was a German-born Communist functionary whose modest beginnings as a carpenter in the Social Democratic Party (SDP) eventually culminated in his leadership of the post-WWII Socialist Unity Party (SED) of the German Democratic Republic (GDR). Ulbricht officially joined the Weimar-era Communist Party of Germany (KPD) in 1920, quickly working his way into positions of leadership under the patronage of Ernst Thalmann, Chairman of the KPD. He was elected to the Central Committee of the KPD and went on to attend the International Lenin School of the Comintern in 1924, where he cemented his place as a loyal adherent of Stalin’s ideology. From that time until the end of World War II, Ulbricht worked for the Comintern as a leading German Stalinist, giving him a certain level of authority within the KPD, as Soviet endorsement was considered the highest honor. Walter Ulbricht further garnered prestige during the time he served in the Spanish Civil War, where he worked clandestinely to eliminate Trotskyites opposing Stalin’s control of the international communist movement. Ulbricht fled Nazi persecution in 1937 and spent his exile in the Soviet Union as a prominent agent provocateur; he was groomed by the People’s Commissariat for Internal Affairs (NKVD) to serve as a driving force for the post-war reconstruction of Germany under communist administration. He returned to his homeland in 1945 to begin his Soviet-issued mission: purging Social Democrats from positions of power and facilitating the creation of the merged Socialist Unity Party of Germany, built specifically with adherence to Stalinism as a cornerstone of the organization. Following Stalin’s death in 1953, Ulbricht maintained his authoritarian political beliefs despite the Soviet-led policy of destalinization. Walter Ulbricht would enshrine himself as the unquestioned leader of the SED and the GDR for over twenty years, through the begrudging non-interference of Nikita Khrushchev. Ulbricht held absolute authority over East Germany until his voluntary withdrawal from party leadership after a political coup in 1971that was staged by his protégé Erich Honecker and officially endorsed by the adversarial new Soviet Premier Leonid Brezhnev.
This thesis seeks to investigate and deductively answer the following questions: Was Walter Ulbricht genuinely motivated in his politics by the fundamentals of Marxism-Leninism, or was he a power-driven individual who was driven more by personal opportunism? What strategies did Ulbricht use during the height of Stalin’s reign to ensure his political survival and advancement? What about Ulbricht made him willingly participate in the more dastardly aspects of Stalinization in Germany? What factors allowed Ulbricht to be so successful in his domination of the German communist movement? How did Ulbricht emulate the example that Joseph Stalin had set for building and maintaining an authoritarian communist regime?
It is the conclusion of the author that Walter Ulbricht knowingly maneuvered from Democratic-Socialism, to Marxism-Leninism, to hardline Stalinism by cunningly entrenching himself in whatever political ideology he thought would progress his own career at the time. Ulbricht successfully emulated Stalinization in his creation of the SED and GDR, allowing him not only the title of First Secretary of the party, but also the eventual prestige of being a national leader in control of his own territory. He did so by utilizing the Stalinist devices of inner-party paranoia, unquestioning loyalty to the hierarchical structure, and the elimination of political undesirables. A cutthroat ability to pursue personal gain, the submissive mentality of the German “Old Communists” to party authority, and substantial personal support from Joseph Stalin allowed Walter Ulbricht to succeed in his political career.
The models of analyses in this work include: (1) review of pertinent literature; (2) biographical overview of Ulbricht’s political career; (3) a biographical review of the individual’s life and political career, which the author feels is a necessary inclusion in order to fully comprehend the thesis subject; (4) the deductive findings of the author cumulating in the thesis argument body, brought about through guided interpretation of the subject and progressive understanding; (5) and finally the conclusion.Political Scienc
Do the Americans With Disabilities Act Grab Bar Recommendations Best Meet the Needs of Older Adults? A Pilot Study
No full textAbstract
Date Presented 3/30/2017
This study investigates whether a bilateral grab bar configuration or the recommended Americans With Disabilities Act Accessibility Guidelines grab bar configuration better meets the functional and safety needs of community-dwelling older adults. Implications for future research, occupational therapy practice, and legislation are provided.
Primary Author and Speaker: Cassidy Kemp
Additional Authors and Speakers: Kelly Ulbricht, Claire Murphy, Katie Meier, Marlene Morgan</jats:p
Novel PVDF Ultrafiltration Membranes with Tailor-made Zwitterionic Copolymer Additives
No full textDie adsorptive Verschmutzung und das "Trade-off"-Verhältnis zwischen der Permeabilität und der Selektivität begrenzen die Leistungsfähigkeit und die Nutzungsdauer von etablierten Polymermembranen in der Ultrafiltration, insbesondere bei der Wasseraufbereitung für sauberes Trinkwasser. Die Arbeit dieser Dissertation ist ein Teil des NANOPUR-Projekts und konzentriert sich auf die Herstellung von UF-Membranen mit hohem Durchsatz, hoher Selektivität und geringer Tendenz zur Verschmutzung. Eine Reihe von Membranen aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), die im Rahmen der Dissertation neu synthetisierte zwitterionische polymere Additive wie statistische Copolymere (PMMAm-co-PSPEn) und Diblockcopolymere (PMMAm-b-PSPEn) enthielten, wurden über die Nichtlösungsmittel-induzierte Phasentrennung hergestellt (PMMA ist Polymethylmethacrylat, PSPE ist Poly(sulfobetainmethacrylat)). Zusammenhänge zwischen der Struktur der Additive und der Membranleistung einschließlich Verschmutzungsbeständigkeit wurden analysiert und eine Reihe von Membranen identifiziert, die im Vergleich zum "Trade-off" deutliche Verbesserungen der Trennleistung aufweisen.Adsorptive fouling and “trade-off” relationship between membrane permeability and selectivity largely limit the long-term application of polymer ultrafiltration (UF) membrane in industrial area, especially in the water treatment for clean drinking water. The work of this dissertation is a part of NANOPUR project, targeting preparation of UF membrane with high throughput, high selectivity and low fouling. A number of Polyvinylidenfluorid (PVDF) UF membranes containing synthesized zwitterionic additive PMMAm-co-PSPEn and PMMAm-b-PSPEn were prepared via nonsolvent induced phase separation (NIPS) in order to research their performance improvement on the fouling resistance as well as “trade-off” phenomenon. PMMA is polymethylmethacrylate. PSPE is poly (sulfobetaine methacrylate).
Additive PMMAm-co-PSPEn was directly synthesized via free radical copolymerization of monomer MMA and SPE. Macroinitiator PMMA-Br with various molecular weights were synthesized via Atom transfer radical polymerization (ATRP). The molecular weights of PMMA-Br were designed as ~10 kg/mol, ~14 kg/mol, 30 kg/mol and ~53 kg/mol in order to examine the various effects arisen from different PMMA lengths. Then they were used to reinitiate the N, N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) to synthesize a number of PMMAm-b-PDMAEMAn with diverse molecular weights and various ratios of PMMA/PDMAEMA under different conditions for sequential ATRP. Finally after the post-treatment, PMMAm-b-PDMAEMAn were readily converted to zwitterionic PMMAm-b-PSPEn. The additive PMMAm-b-PSPEn with precise control of molecular weight as well as polydispersity plus tailor-made ratios of PMMA/PSPE can be achieved in this manner.
By comparison of three UF PVDF membranes which were prepared by dope solutions containing 17.5 wt.% PVDF and respective 2 wt.% PMMAm-co-PSPEn, PMMAm-b-PSPEn and commercial Polyvinylpyrrolidon (PVP) via NIPS, zwitterionic PMMAm-co-PSPEn and PMMAm-b-PSPEn largely improved the bovine serum albumin (BSA) sieving performance as well as BSA fouling resistance for the corresponding PVDF membranes. However PMMAm-b-PSPEn remarkably reduced water permeability due to its strong facilitation effect on the precipitation rate of PVDF matrix polymer.
A series of UF PVDF membranes were prepared by dope solutions possessing 16 wt.%PVDF and 0.5-1.5 wt.% PMMAm-b-PSPEn respectively with different molecular weights and various ratios of PMMA/PSPE via NIPS. These PVDF membranes showed distinct properties and performance from reference PVDF membranes with single PMMAm-b-PDMAEMAn or PVP. The additional PMMAm-b-PSPEn apparently also improved the BSA sieving performance of all the corresponding PVDF membranes. Some selected PVDF membranes also displayed much lower BSA fouling than reference membrane. The PVDF membrane containing PMMAm-b-PSPEn with higher ratios of PMMA/PSPE generally showed better fouling resistantce. Water permeability for all the PVDF membranes with PMMAm-b-PSPEn were generally still low. The higher precipitation rate of PVDF matrix resulted from PMMAm-b-PSPEn can be supported firmly.
Another series of UF PVDF membranes were prepared with dope solutions containing 16 wt.% PVDF and combination of 1 wt.% PVP and 1-2 wt.% PMMAm-b-PSPEn with different molecular weights and various ratios of PMMA/PSPE via NIPS. The combination of PVP and PMMAm-b-PSPEn originated apparent synergy effect on the performance of corresponding PVDF membranes, the high water permeability and high BSA rejection being achieved at the same time. The “trade-off” phenomenon was overcome for all the PVDF UF membranes. The additional PVP properly offset part of the increased precipitation rate which brought by PMMAm-b-PSPEn so that a balanced water permeability and sieving performance was achieved. Compared with reference PVDF membranes with commercial PVP, selected PVDF membrane with combination of PVP and PMMAm-b-PSPEn also displayed stronger BSA fouling resistance and higher BSA sieving performance. One prepared UF PVDF membrane with combination of additives that showed performances meeting the target values of NANOPUR project was selected as prototype membrane.
PVDF UF membranes which were prepared by dope solutions containing 16 wt.% PVDF and combination of PMMAm-b-PSPEn and respective PEG, glycol and PMMA via NIPS were also characterized and compared. The above combination of additives didn’t show satisfying effect on performance of corresponding PVDF membranes.
Two UF PVDF membranes were prepared by dope solutions possessing 17.5 wt.% PVDF and 2 wt.% PMMAm-b-PDMAEMAn with different molecular weights and various ratios of PMMA/PDMAEMA via NIPS. Then through the surface modification the PDMAEMA groups exposing on PVDF membrane surface were converted to PSPE groups. The surface modification can be available but the complete conversion was difficult. These PVDF membranes after surface modification showed decreased water permeability but improved BSA sieving performance in contrast to ones before surface modification.
Overall, synergy effect of PVP and PMMAm-b-PSPEn with high ratio of PMMA/PSPE exhibited strong potential to improve PVDF membrane performance. The largely enhanced fouling resistance to protein and properly controlled porosity can be readily donated to PVDF membranes via practical NIPS of the blending solution which involved PMMAm-b-PSPEn, PVP and PVDF
Functional polymeric building blocks for marine antifouling coatings
No full textDie Bildung von Biofouling auf Oberflächen stellt für die Seefahrt aufgrund von Biokorrosion, erhöhten Reinigungskosten sowie stark erhöhtem Treibstoffverbrauch ein großes Problem dar. Als vielversprechendes Material für antiadhäsive Beschichtungen gilt das Polymer Polysulfobetainmethacrylat (PSBMA). Eine Beschichtung aus diesem Material kann Wasser in die Oberfläche einspeichern und eine Hydrathülle bilden, welche die Oberfläche für Proteine sowie Bakterien „verschleiert“, sodass die Grenzflächenanbindung deutlich abgeschwächt wird.
Damit die Integration von PSBMA-basierten Polymeren möglichst flexibel einsetzbar ist, wird in dieser Arbeit eine modulare Syntheseplattform für vernetzbare Bausteine für Hydrogele entwickelt. Als Basis für die Polymerisationen wird das Monomer 2-Dimethylaminoethylmethacrylat verwendet, da das erhaltene Polymer nachträglich durch Quaternierung mit 1,3-Propansulton oder 1,4-Butansulton zu PSBMA reagieren kann. Die Molmassen der Polymere bis 150 kDa sowie deren Architektur - linear oder vierarmig - lassen sich anhand des Polymerisationsmechanismus und der verwendeten Stoffe einstellen. Durch eine hohe Präzision mit unter 2 % Abweichung in der partiellen Sulfobetainisierung wird die Einstellung des Funktionalisierungsgrades ermöglicht. Eine Integration von Epoxy- sowie Hydroxyl-Gruppen in das Polymer erfolgt über die Copolymerisation mit entsprechenden Methacrylaten. Die Implementierung von Allyl-, primären Amino- sowie Thiol-Gruppen kann durch abschließende Substitutionsreaktionen erreicht werden.
Im Anschluss kann durch Verwendung von Polymeren mit komplementären Reaktiv-Gruppen eine Hydrogel-Beschichtung auf die Oberfläche gebracht werden. Die erhaltenen Beschichtungen sind mit einem Kontaktwinkel von 25° – 40° hydrophil. Der Quellgrad dieser Hydrogel-Beschichtungen ist direkt abhängig von der eingesetzten Vernetzergruppendichte, eine Erhöhung des Anteils an Vernetzergruppen führt zu einer Verringerung. Besonders gute Antifouling-Eigenschaften sind bei der Beschichtung mit ausschließlich Epoxy-reaktivem PSBMA95-co-PGMA5 nachweisbar.
Des Weiteren werden superhydrophobe Beschichtungen hergestellt. Für diese Beschichtungen auf Basis von handelsüblichem Silikon sowie tetrapodischen Zinkoxid-Nanowhiskers werden Polymere der modularen Syntheseplattform mittels grafting-to Methode auf die Oberfläche der Partikel aufgebracht. Bei Verwendung von bis zu 20 % modifizierten Partikel in Kombination mit unmodifizierten Partikeln kann die Hydrophobizität beibehalten werden.Biofouling is for the marine industry a major problem, because it causes biocorrosion, increased costs for cleaning as well as increased fuel consumption. Polysulfobetaine methacrylate (PSBMA) is one of the most promising materials for antiadhesive coatings and can form a hydration layer to “shield” the surface from proteins and bacteria, which reduces the accessibility for adsorption and adhesion processes.
A modular synthesis platform is created to ensure a flexible integration of cross-linkable PSBMA-based polymers in hydrogels. 2-Dimethylaminoethyl methacrylate has been used for nearly all polymerization since the resulting polymer can be easily quaternized by 1,3-propane sultone as well as 1,4-butane sultone to obtain PSBMA. Molar masses up to 150 kDa as well as their architecture (linear or four arms) are controlled by different polymerization mechanisms and the variation of initiators. A high precision in partial sulfobetainization enables exact functionalization degrees for the resulting copolymer. Epoxy as well as hydroxyl groups are integrated by copolymerization with respective methacrylates. Allyl, primary amine and thiol groups are introduced into the copolymer using substitution reactions.
Hydrogel coatings are formed using self-synthesized polymers with complementary reactive groups. Measured contact angles of these coatings are all in a range of 25 °- 40°. Indicating hydrophilic properties. Swelling degrees of hydrogels are directly dependent upon the cross-linking group density of the used polymers and decrease with increasing the fraction of cross-linking groups. Antifouling tests with a coating containing only epoxy-reactive PSBMA95-co-PGMA5 have shown most promising results in terms of antifouling properties.
Superhydrophobic coatings consisting of commercially available silicone and tetrapodic zinc oxide nanowhiskers are modified by attaching self-synthesized polymers via grafting-to method to the particle surfaces. The hydrophobicity can be preserved, if 20 % or less of modified particles are used in combination with unmodified particles. Further increase of modified particle fraction leads to a significant drop of the contact angle from 140° down to 115°, and thus to a reduction of hydrophobic properties
Membran-basierte Aufreinigung von Nanopartikel-Dispersionen
No full textMembran-basierte Trennungen von Nanopartikel-Dispersionen (d.h. Gemischen aus Proteinen und Metalloxid-Nanopartikeln) wurde bisher nur geringe Aufmerksamkeit gewidmet. Konventionelle Trennmethoden (z.B. Zentrifugation) beinträchtigen häufig die Produkteigenschaften und die Ausbeute. In dieser Arbeit wird zunächst eine Modellstudie beschrieben, in der Proteine (Rinderserumalbumin (BSA) oder Lysozym (LYS)) aus den dispersen Gemischen mit Siliziumdioxid-Nanopartikeln (nominale Größe: 20 nm) entfernt wurden, indem man die größenselektiven Eigenschaften der Ultrafiltration (UF) nutzt. Membranbasierte Trennverfahren weise eine Reihe von Vorteilen auf; sie sind leicht skalierbar, weniger aufwendig und besitzen eine hohe Durchsatzleistung. In dieser Studie wurden Membranen aus regenerierter Cellulose (RC) und Polyethersulfon (PES) mit einer nominalen Molekulargewichts-Ausschlussgrenze (NMWCO) von 100 kDa, sowie eine funktionalisierte PES-UF-Membran (NMWCO 300 kDa) untersucht. Die Funktionalisierung bestand aus einer amphoteren Polymer-Hydrogelschicht hergestellt durch UV induzierte Pfropfcopolymerisation von N [3 (dimethylamino)¬propyl]¬¬-acrylamid (DMAPAA) und 2-Acrylamido-2-methyl-1-propan¬sulfonsäure (AMPS). Dadurch wurde ein experimentell bestimmter NMWCO von 180 kDa erhalten, der identisch mit dem experimentellen Wert für PES 100 kDa ist. Die relevanten Membrancharakterisierungen wie beispielsweise Messungen des Kontaktwinkels, des Zeta-Potentials sowie Rasterelektronenmikroskopie wurden durchgeführt, um die Fraktionierungsleistung, die Anti-Fouling-Eigenschaften und die Wechselwirkungen zwischen Membranen und gelösten Stoffen zu erklären. Membraneigenschaften und Filtrationsbedingungen, insbesondere pH-Wert und Fluss, wurden auf der Grundlage von Daten zur Einzelkomponentenfiltration ausgewählt oder angepasst, um maximale Proteintransmission und vollständigen Siliziumdioxid-Rückhalt, und dementsprechend maximale Siliziumdioxid-/Proteinselektivität, zu erreichen. Dead-End-Filtration und kontinuierliche Diafiltration wurden zur Fraktionierung und Aufreinigung verwendet. Insgesamt war die Leistung der PES-UF-Membranen im Vergleich zu der der anderen Membranen aufgrund von zu starkem Fouling unterlegen. Bei der RC-Membran wurden Transmissionsraten von LYS bzw. BSA aus der Mischung mit Siliziumdioxid von 80% bzw. 30% gemessen. Bei der Hydrogel-funktionalisierten PES-Membran waren die jeweiligen Transmissionsraten aus dem Gemisch 35 % bzw. 15 % für LYS bzw. BSA. In beiden Fällen konnte ein quantitativer Rückhalt von Siliziumdioxid-Partikeln erreicht werden. Unter Verwendung von kontinuierlicher Diafiltration zeigte die RC-Membran die beste Filtrationsleistung; es wurden insgesamt 91 % LYS unter Benutzung von 6 Diavolumen (DV) in 2,4 Stunden entfernt, für BSA waren es 84 % bei 10 DV in 5,5 Stunden. Mit der Hydrogel-funktionalisierten PES-Membran wurden 82 % LYS bzw. 74 % BSA bei 6 bzw. 10 DV in einer längeren Zeitspanne entfernt, d.h. innerhalb von 4 bzw. 6,8 Stunden. Wichtig ist dabei zu bemerken, dass die zurückgehaltenen Siliziumdioxid-Nanopartikel in der Dispersion stabil blieben, ohne Anzeichen von Aggregation.
Das Ergebnis der Modellstudie wurde genutzt, um einen möglichen Nutzen in biotechnologischen und medizinischen Forschungsfeldern aufzuzeigen. In diesen Bereichen ist eine Voraussetzung für die Kombination von Nanopartikeln mit Biomolekülen zur Bildung funktionaler Hybridsysteme, dass eine hohe Reinheit erreicht wird. Dafür ist die Abtrennung von ungebundenen, überschüssigen Komponenten notwendig. Die RC-Membran wurde verwendet, um ungebundene überschüssige Peptide aus Dispersionen von Gold-Nanopartikel-Peptid-Biokonjugaten (hydrodynamischer Durchmesser 8,5 nm mit dynamischer Lichtstreuung bestimmt) in einer druckbetriebenen Diafiltration abzutrennen. Dies ist relevant, da ungebundene Bioliganden die Genauigkeit der biologischen Charakterisierung (Bioassay) beeinträchtigen können und da eine multivalente Biokonjugation ohne die vollständige Entfernung von freien Bioliganden nicht verhindert werden kann. Die RC-Membran mit NMWCO von 30 kDa zeigte quantitativen Rückhalt für biokonjugierte Gold-Nanopartikel (AuNP). Unter Verwendung dieser Membran war die Ausbeute an AuNP-Peptid-Biokonjugat im Retentat größer 87 %, bezogen auf die Ausgangsmenge in der Mischung. Die letztgenannten Ergebnisse wurden zusätzlich mit der Zentrifugal-Membran-Filtration verglichen, bei der die Leistung bezüglich der Entfernung von Peptide und Aufreinigung des Au-Peptid-Konjugats bedeutend hinter der der Membranfiltration zurückblieb. Alle Ergebnisse zeigen auf, dass RC-Membranen für die Reinigung von biokonjugierten Nanopartikel-Dispersionen sehr gut geeignet sind und dass der Diafiltrationsbetrieb sich deutlich besser zum Hochskalieren eignet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit die Erkenntnisse über die Verwendung von Membran-basierten Trennungsmethoden zur Nanopartikelfraktionierung bzw. -aufreinigung sowie zur Entfernung von Reaktionsrückständen deutlich erweitert hat.Membrane-based separations of nanoparticles dispersion (i.e. mixtures of proteins and metal oxide nanoparticles) have received little or no attention. The conventional separation methods (e.g. centrifugation) often compromise the product’s properties and recovery. In this work, a model study has been carried out by removing proteins (bovine serum albumin (BSA) or lysozyme (LYS)) from the dispersion mixtures with silica nanoparticles (nominal size 20 nm) by employing the sieving properties of ultrafiltration (UF) membranes. Membrane-based methods are easily scalable, less tedious and high throughput among other advantages. In this study, regenerated cellulose (RC) and polyethersulfone (PES) membranes with nominal molecular weight cut-off (NMWCO) of 100 kDa, and a PES UF membrane (NMWCO 300 kDa) functionalized with UV-grafted amphoteric polymer hydrogel layer consisting of N-[3-(dimethylamino)propyl]-acrylamide (DMAPAA) and 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid (AMPS) and having an experimentally determined cut-off of 180 kDa (identical with the experimental data for PES 100 kDa) were studied. Some relevant membrane characterization such as contact angle, zeta potential as well SEM measurements were done to elucidate fractionation performance, anti-fouling properties and membrane- solute interactions. Membrane properties and filtration conditions, in particular pH value and flux, were selected or adapted based on data for single component feeds to achieve maximum protein transmission, complete silica retention and, hence, maximum silica/protein selectivity. Batch dead-end and continuous diafiltration processes were used for fractionation and purification. Overall, the performance of PES UF membranes was inferior compared to the other membranes because of too strong fouling. With membrane RC 100, the transmission data of LYS and BSA from the mixture with silica were 80 % and 30 %, respectively. With the hydrogel-functionalized or modified PES membrane, the respective transmissions from the mixture were ~35 % and ~15 % for LYS and BSA, respectively. In both cases, quantitative rejection of silica could be achieved. Using continuous diafiltration, membrane RC 100 had better purification efficiency, removing a total of 91 % of LYS using 6 diavolumes (DV) in 2.4 h and 84 % of BSA using 10 DV in 5.5 h. With the hydrogel-functionalized PES membrane, 82 % of LYS and 74 % of BSA were removed using 6 and 10 DV within larger time, i.e. 4.0 and 6.8 h, respectively. Importantly, the retained silica nanoparticles remained stable in the dispersion, without any indication of aggregation.
The result of the model study was applied to show feasible benefits in biotechnological and medical fields were combination of nanoparticles with biomolecules to form functional hybrid systems demands high purity and separation of excess or unbound solutes. The RC membranes were used to separate unbound excessive ligands from the mixtures of gold nanoparticles-peptide bioconjugates (8.5 nm with dynamic light scattering) in a pressure driven diafiltration. This is pertinent because unbound ligands can compromise the specificity of bioassays and multivalent bioconjugation cannot be controlled without proper ligand removal. The RC membrane with NMWCO of 30 kDa showed absolute rejection of the bioconjugated AuNP. Using RC 30 kDa membrane, the recovery of AuNP-peptide bioconjugate in the retentate was > 87 % relative to the initial amount in the mixture. The latter results were additionally compared to the centrifugal membrane filtration method, where the efficiency of ligand removal and Au-peptide conjugate purity were found to be significantly lower than the ultrafiltration membrane method. All results indicate that RC membranes can be very well suited for the purification of bioconjugated nanoparticle dispersions and the diafiltration mode is much better suited for scale-up. Overall, this work has significantly expanded the knowledge about the use of membrane based separation methods for nanoparticle fractionation/purification as well as removal of residual reactants
Fabrication of ion- and temperature responsive membranes via controlled coppolymerization methods
No full textIm Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige Membranen entwickelt, die ihre Porengröße in Abhängigkeit zur Ionenart und -konzentration sowie zur Temperatur verändern. Die Tatsache, dass solche Membranen ihre Poren selbständig in Abhängigkeit der äußeren Stimuli öffnen und schließen können, könnte zu zahlreichen Anwendungen führen. Beispielsweise könnten solche Membranen in der Sensortechnik zur Detektion von bestimmten Ionen, in der Medizin zur kontrollierten Freisetzung bestimmter Stoffe wie Medikamente, oder generell als neue funktionelle Materialien eingesetzt werden.
Für die Herstellung derartiger Membranen wurden PET-Kernspurmembranen mit zwei verschiedenen Polymeren modifiziert. Bei dem einen Polymer handelt es sich um das sehr bekannte Temperatur-responsive Poly(N–isopropylacrylamid (PNIPAAm), welches eine LCST bei 32 °C aufweist. Bei dem anderen handelt es sich um das Polyzwitterion Poly(N,N-dimethyl-N-methacryloyloxyethyl-N-(3-sulfopropyl) ammonium betain) (PSPE), welches mit einer Volumenveränderung auf die Abwesenheit von Ionen reagiert.
Für die Postmodifikation wurden mittels verschiedener Syntheserouten unterschiedliche Architekturen hergestellt, welche auf ihre Responsivität bezüglich Temperatur und Ionen untersucht worden sind. Zum einen wurden die Membranporen mit statistischen Hydrogelen aus PNIPAAm und PSPE mittels reaktivem Pore-filling gefüllt. Als Polymerisationstechnik wurde hierbei die freie radikalische Polymerisation verwendet, wobei sich herausstellte, dass die redoxinitiierte Polymerisation zu einer besseren Copolymerisierbarkeit und reproduzierbareren Ergebnissen führte, als die photoinitiierte Polymerisation. Bei Membranen, die mit statistischem Hydrogel gefüllt waren, zeigte sich, dass mit zunehmendem zwitterionischen Anteil im Gel die Temperatur-Sensivität verloren ging, während mit zunehmendem Temperatur-responsiven Anteil die Ionen-Sensitivität stark abnahm. Dementsprechend wurden die Membranporen mit einem Homopolymer wie PNIPAAm bzw. PSPE gepfropft, während das jeweils andere Polymer als Hydrogel in die Poren eingearbeitet wurde. Bei diesen Membranen konnte sowohl eine starke Temperatur- als auch Ionen-Responsivität beobachtet werden.Teilweise zeigten derartige Membranen sogar eine stärkere Sensitivität auf Temperatur als jene, die nur mit reinem PNIPAAm-Gel gefüllt waren, was auf die besondere Architektur zurückgeführt werden kann.
Bei der anderen Syntheseroute wurden die Porenwände mit Bürsten aus PSPE und PNIPAAm mittels ATRP gepfropft. Dabei wurden zum einen die Bürsten in einer Blockstruktur, bei der ein Block auf dem anderen aufgepfropft wurde und zum anderen in einer cogepfropften Struktur angeordnet, bei der die beiden Homopolymerketten nebeneinander an den Porenwänden gepfropft waren. Es wurde deutlich, dass in beiden Fällen ein langsames und somit gut kontrolliertes Wachstum wichtig für die Einstellung der Eigenschaften der Membran, sowie für weitere Reaktionen ist, weshalb zunächst die Syntheseparameter eingestellt wurden. Mit diesen Syntheseparametern konnte eine Diblockstruktur aus PNIPAAmund PSPE mit verschiedenen Funktionalisierungsgraden effizient gepfropft werden. Die so erhaltenen PET-g-PSPE-b-PNIPAAm Membranen reagierten sowohl auf Ionen, als auch auf Temperatur mit einer Änderung des Porendurchmessers. Bei hohen Temperaturen kollabierte der PNIPAAm Block, während der PSPE-Block durch die Zugabe von Ionen expandierte, was mittels Permeabilitäts- und Diffusionsmessungen von Dextranen nachgewiesen wurde. Auf diese Weise konnte der Porendurchmesser der Membran gezielt eingestellt werden.
Ebenfalls gelang es durch gezielte Vormodifizierung eine Membran mit cogepfropfter Struktur herzustellen, bei der PSPE- und PNIPAAm-Bürsten nebeneinander an der Membranoberfläche angebracht waren. Diese sollte ihre Poren nur dann öffnen, wenn beide Stimuli, Ionen und Temperatur, vorhanden sind. Allerdings führte eine Änderung der Ionenkonzentration nur zu geringen Permeabilitätsänderungen, was damit erklärt werden konnte, dass die PSPE-Ketten wesentlich kürzer sind, als die PNIPAAm-Ketten und die Eigenschaften der Membran daher vor allem von diesen bestimmt werden.
Mittels PIGP-Methode wurden zudem statistische Copolymerbürsten an die Porenwände einer PET-Membran gepfropft. Mit dieser Struktur wurden sehr hohe Schalteffekte bei einer Änderung der Temperatur erreicht, was auf die hohe Polydispersität der Ketten zurückgeführt werden kann. Allerdings zeigten die mittels PIGP modifizierten Membranen eine geringe Reproduzierbarkeit, so dass sich unterschiedliche Permeabilitätsergebnisse für verschiedene Membranen ergaben, was die Wichtigkeit einer guten Kontrolle der Wachstumsgeschwindigkeit während der Pfropfung von Polymerbürsten bestätigt.The focus of this work were the development of novel membranes which change their pore size in dependency of temperature and ion type or ionic strength. Because of their unique feature of autonomous opening and closing pores in dependency of an outer stimulus, such membranes could be employed in several applications. For instance they could be used in sensors for detection of special ions, in medicine for controlled release of drugs or as new functional materials.
For the fabrication of such membranes PET-track-etched membranes had been modified by different polymers. In this work, the well known temperature-responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) is combined with the ion responsive zwitterionic polymer poly(N,N-dimethyl-N-methacryloyloxyethyl-N-(3-sulfopropyl) ammonium betaine) (PSPE).
Various architectures has been prepared by different synthesis routes and the responsivity towards ions and temperature had been investigated. Firstly the membrane pores had been filled with a statistical hydrogel made out of PNIPAAm and PSPE by reactive pore-filling technique. For synthesis the free radical polymerization has been used, while it became obvious that redoxinitiated polymerization led to a better copolymerization and more reproducible results than photoinitiated poylmerization. For membranes which were filled with statistical hydrogel it could be observed that a high amount of temperature responsive polymer led to a loss of ion responsivity and a high amount of ion responsive polymer led to a loss of temperature responsivity. In order to achieve high ion and temperature responsivity the membrane pores have been first grafted by a homopolymer and then filled with a homopolymer gel. Such mebranes showed both responsitivities. In some cases such membranes showed even a stronger temperature responsivity than those which were filled with pure PNIPAAm-gel what can be explained by the particular architeture.
At the second synthesis route the pore walls has been grafted with PNIPAAm and PSPE chains by ATRP in two different structures: A block structure with one block grafted on the other and a cografted structure with both blocks grafted next to each other on the pore wall. It became clear that a slow and well cotrolled polymer growth is important for the membrane properties and further graftings. Therefore the synthesis parameter had been adjusted so that a diblockstructure from PNIPAAm and PSPE could be grafted efficiently on the pore walls. The obtained PET-g-PSPE-b-PNIPAAm membranes were changed their pore size in dependency to ions and temperature. At high temperatures the PNIPAAm block collapsed while the PSPE block expanded in presence of ions what could be determined by permeability and dextran diffusion experiments. So the pore size could be easily adjusted by ions and temperature.
Furthermore a cografted structure could be generated at which PSPE and PNIPAAm chains are grafted next to each other. Such membranes should open their pores only if both stimuli, temperature and ions are active. However a change in ion concentration led to a very small permeability change what can be explained by the fact that the PSPE chains were much shorter than the PNIPAAm chains so that the membrane properties were determined mainly by PNIPAAm.
By PIGP method also statistical copolymer chains have been grafted on PET membrane pores. This structure led to very high permeability changes by temperature change what can be explained by a high polydispersity of the grafted chains. But the membranes which were modified via PIGP show a low reproducibility what stresses the importance of a well controlled grafting
PVDF ultrafiltration membranes with tailored separation performance by using PEO-b-PMMA diblock copolymers
No full textIn dieser Arbeit wurde das amphiphile Diblock Copolymer Polyethylenoxid-block-Polymethylmethacrylat (PEO-b-PMMA) hergestellt und sein Einsatz als funktionelles Additiv in Ultrafiltrationsmembranen aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) untersucht. Ursprünglich sollte das Copolymer ausschließlich die Hydrophilie der Membranoberfläche erhöhen, wodurch eine Verringerung des Foulings während des Betriebs erwartet wurde. Dieser erwartete Nutzen wurde durch Foulingexperimente mit Blumenerdeextrakt überprüft, wobei bestätigt werden konnte, dass die Bestandteile des Extraktes erheblich weniger an Membranen haften konnten, die das Copolymer enthielten, als an vergleichbaren Membranen ohne Copolymer. Eine nahezu vollständige Regenerierung sehr stark von Fouling beeinträchtigter Membranproben, die das Copolymer enthielten, war in kurzer Zeit und nur durch Spülen mit Wasser möglich.
Zusätzlich wurde herausgefunden, dass es möglich ist Copolymermizellen zu erzeugen, wenn der PEO Block durch spezielle Metallsalze komplexiert wird. Bei Zugabe dieser Salze und geringer Mengen Wasser konnten mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) sowie Rheologie deutliche Anzeichen für die Ausbildung von Mizellen gefunden werden, die nicht erhalten wurden, wenn andere Salze verwendet wurden. Dieses Verhalten wurde daraufhin durch Protonen-Kernspinresonanzspektroskopie (1H-NMR) weiter untersucht. Es wurde beobachtet, dass alle Salze, die in den vorangegangenen Experimenten die Bildung von Mizellen auslösen konnten, selektiv einen Komplex mit dem PEO Block bildeten, was anhand einer Tieffeldverschiebung des PEO Peaks zu erkennen war. Gleichzeitig wurde eine Verbreiterung des Peaks beobachtet, die für die Bildung von Mizellen mit einem PEO Kern erwartet wurde. Bei Zugabe von Lithiumbromid, einem Salz, durch das die Bildung von Mizellen nicht ausgelöst werden konnte, wurde hingegen beobachtet, dass Komplexe mit beiden Blöcken gebildet wurden. Eine Peakverbreiterung trat hierbei nicht auf. Aus den Experimenten wurde geschlossen, dass die selektive Komplexierung des PEO Blocks als zusätzliche Triebkraft für die Bildung von (PEO-Kern, PMMA-Korona) Mizellen fungierte, die ansonsten in einem nicht-selektiven Lösemittel nicht gebildet worden wären.
Zu Beginn der Arbeit wurde vermutet, dass eine Mikrophasenseparation des Copolymers innerhalb der Gießlösung oder während des Ausfällungsprozesses die Eigenschaften der daraus resultierenden Membran verbessern könnte, zum Beispiel durch eine gleichmäßigere Struktur der selektiven Schicht oder eine höhere Porosität. Aus diesem Grund wurde zu Gießlösungen neben dem Blockcopolymer auch bis zu 1 % verschiedener Metallsalze hinzugegeben. Es wurden Salze genutzt, die nach den DLS Experimenten Mizellen erzeugen können (besonders CuCl, FeCl2), aber auch solche, die dies nicht konnten (z.B. LiBr).
In allen Fällen, in denen Salze verwendet wurden, die Mizellen erzeugen können, wurde eine Verschiebung des Molecular Weight Cut-Off (MWCO) und in den meisten Fällen eine Steigerung der Filtrationsleistung der Membran beobachtet. Dieser Effekt war von der Konzentration des Salzes abhängig, so dass über die Wahl des Salzes und seiner Konzentration gezielt Membranen mit einem bestimmten MWCO hergestellt werden konnten. Dies könnte sehr interessant für eine industrielle Anwendung sein, da so mit sehr geringem Aufwand Membranen für spezifische Trennaufgaben optimiert werden können.
In einem weiteren Teilgebiet der Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht, die Selbstanordnung von PEO-b-PMMA für die Herstellung von Membranen mit sehr enger Porengrößenverteilung und maximaler Porendichte in der selektiven Schicht zu nutzen. Mittels AFM Aufnahmen konnten erste Nachweise einer erfolgreichen Selbstanordnung an der Oberfläche der Proben gefunden werden, die Herstellung von funktionsfähigen Membranen mit den gewünschten Eigenschaften gelang jedoch nicht. In this work, poly(ethylene oxide)-block-poly(methyl methacrylate) (PEO-b-PMMA) diblock copolymers were established as functional additive for polyvinylidene fluoride (PVDF) ultrafiltration (UF) membranes, originally with the intention to increase their hydrophilicity and thereby decrease fouling. Additionally, however, it was found that copolymer micelles can be induced by complexing the PEO block of PEO-b-PMMA with specific metal salts. The formation of micelles as function of specific solution compositions was characterized in dynamic light scattering and rheology experiments; the formation of PEO-metal ion complexes as well as the position of PEO in the core of the micelles were shown via proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR) spectroscopy.
Integration of micelle-forming compositions into typical PVDF-based casting solutions for UF membranes could lead to a higher surface porosity and a more regular barrier pore structure through microphase separation during the nonsolvent induced phase separation process used for membrane preparation. It was found that membranes containing small amounts of PEO-b-PMMA show a significantly higher permeance than membranes made from an otherwise equal casting solution without the copolymer, while maintaining the solute rejection properties. By using different types and amounts of metal salts to complex the PEO block it was possible to tailor the molecular weight cut-off of the membranes between 30 kDa and 110 kDa. Fouling studies in lab-scale cross-flow filtration cells showed an increased relative flux recovery compared to membranes without the functional copolymer additive.
In another part of the thesis, the self-assembly of PEO-b-PMMA was investigated. In compliance with earlier DLS experiments, ordered structures were only observed in the presence of specific salts
Membranen zur Entfernung von Viren mittels Größenausschluss
No full textModern biopharmaceutical processes implement comprehensive virus clearance strategies to minimize the threat of viral contamination of drugs and ensure patient safety. Besides testing of source materials and the finally formulated drug, manufacturing processes based on mammalian cell lines are required by the regulatory agencies to include at least two dedicated orthogonal unit operations for the inactivation or removal of endogenous or adventitious viruses. Throughout the last three decades, size exclusion based virus filtration using porous membranes in dead-end mode has become an industry standard known for its reliability and robustness to clear viruses while not affecting product quality and allowing high product recovery.
Virus filtration membranes (VFMs) have complex porous structures capable of retaining small viruses such as parvoviruses having 18-24 nm in diameter by at least 99.99 % corresponding to a log10 reduction value (LRV) >= 4. At the same time, typical product molecules like monomeric IgG-type monoclonal antibodies, having diameters of 9-12 nm, need to be transmitted by more than 95 %. Exhibiting pore sizes (nominally 20 nm) within the same magnitude of both product and contaminant species renders the separation task that VFMs fulfil intensely sophisticated. For comparison, other size-based unit operations utilizing membranes, such as microfiltration, separate species differing by at least one order of magnitude in hydrodynamic diameter.
This high demand for selectivity renders the development and manufacturing of VFMs a challenging task. Besides the obligatory virus retention performance, the main application relevant performance characteristics of a VFM are the water/buffer permeability and the fouling robustness. From a material scientific perspective, these application characteristics are closely linked to the pore size distribution (PSD) in the separation-active layer (SAL), the pore size gradient (PSG) along the membrane thickness and the characteristics of the membrane surface.
In general, the present thesis focuses on method development and application of analytical techniques capable of determining structural membrane properties such as the PSD and PSG. Further, commercial and non-commercial VFMs are characterized by their virus retention performance and fouling robustness using representative virus models and feed streams.Particular attention is paid on relating membrane properties and application performances. Thereby, mechanistical concepts for the mode of operation are derived and discussed.Moderne biopharmazeutische Prozesse schließen eine umfassende Strategie zur Virusabreicherung ein, um die Gefahr von Viruskontaminationen von Arzneimitteln zu verringern und damit die Sicherheit von Patienten zu gewährleisten. Neben der Testung von Ausgangsmaterialien und der finalen Arznei, ist es für Herstellprozesse basierend auf Säugetierzelllinien von Behördenseite erforderlich, dass mindestens zwei orthogonale Prozessschritte für die Inaktivierung oder Abreicherung von endogenen bzw. zufälligen Viren implementiert sind. Über die letzten drei Dekaden hinweg hat sich die auf Größenausschluss basierende Virusfiltration unter Verwendung von porösen Membranen im Dead-End-Betrieb
als Industriestandard etabliert.
Membranen zur Virusfiltration bestehen aus komplexen porösen Strukturen, die in der Lage sind kleine Viren, wie das Parvovirus mit einem Durchmesser von 18-24 nm, mindestens zu 99.99 % abzureichern. Gleichzeitig ist eine Transmission von typischen Produktspezies, zu denen monoklonale Antikörper vom IgG-Typ gehören und Durchmesser von 9-12 nm aufweisen, von mehr als 95 % erforderlich. Aus diesen ähnlichen Größenordnungen resultiert eine besonders anspruchsvolle Trennaufgabe, die diese Membranen zu erfüllen haben.
Neben dem obligatorischen Virusrückhaltevermögen sind aus applikativer Sicht die Wasser- bzw. Pufferpermeabilität sowie die Robustheit gegenüber Verblockung die entscheidenden Eigenschaften von Membranen zur Virusfiltration. Aus materialwissenschaftlicher Perspektive sind diese Eigenschaften eng mit der Porengrößenverteilung in der trennaktiven Schicht, dem Porengrößengradienten entlang der Membrandicke sowie den Charakteristika der Membranoberfläche verbunden.
Im Allgemeinen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Methodenentwicklung sowie der Anwendung dieser Methoden zur Charakterisierung struktureller Membraneigenschaften wie der Porengrößenverteilung und dem Porengrößengradienten. Desweiteren wurde eine Auswahl kommerzieller sowie nicht-kommerzieller Membranen zur Virusfiltration hinsichtlich Virusrückhalt sowie Robustheit gegenüber Verblockung untersucht. Die so ermittelten applikativen Membraneigenschaften werden in der vorliegenden Arbeit ins Verhältnis zu den strukturellen Eigenschaften der Membranen gesetzt. Hieraus werden mechanistische Konzepte zur Wirkungsweise von Membranen zur Virusfiltration insbesondere bezüglich Verblockung und Virusrückhaltung abgeleitet und diskutiert
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