Functionalized polymeric membrane based techniques are becoming increasingly popular in biotechnology, food and pharmaceutical industries due to their versatility and hydrodynamic benefits over traditional materials and methods. This research work has been directed towards the development of functionalized polymeric membranes, extensive experimental and theoretical analyses of some of the fundamental aspects of accessibility, membrane fouling and enzyme catalysis, and applications in affinity based bioseparation and biocatalysis. In this research work, the impact of different types of functionalization techniques, such as functionalization of different membrane materials, covalent and electrostatic immobilization, on interaction of various biomolecules and active sites in membrane has been studied in detail. Avidin was used as model biomolecule, and covalently immobilized within acyl anhydride derivatized nylon based membrane. Quantification of the accessibility of covalently immobilized avidin sites was carried out by model biotinylated probe molecules, such as biotin 4-amidobenzoic acid and biotinylated-BSA. This study has been further extended to separate and purify a target protein, HIV-Tat, from a complex mixture of proteins (97-99 % unwanted protein) using avidin-biotin affinity interaction. It has been demonstrated that covalent immobilization of avidin in membranes reduces the accessibility of active sites for probe molecules. Accessibility decreases further for the biotinylated target protein present in the mixture of other unwanted proteins. Affinity based membrane separation of proteins is also associated with decrease in permeate flux due to fouling in membrane structure. Fouling in the membrane has been discussed by analyzing the characteristics of adsorbed protein layer in membrane. In order to improve the accessibility and fouling behavior of affinity separation of Tat protein, a pre-filtration step has been introduced prior to affinity separation. Significant enhancement in accessibility and reduction in fouling has been observed for pre-filtered cases as it removes unwanted proteins prior to affinity interaction. Contribution of the pre-filtration step in reduction of fouling has been elucidated by simple model equations. Improvement in accessibility and fouling behavior reflects in higher separation efficiency (protein recovery) and lower processing time for the pre-filtered cases. Quality of membrane purified Tat protein was examined by different analytical techniques, such as SDS-PAGE, Western Blot and biotin analysis, and then compared with that purified by traditional packed-bead column chromatography. It has been demonstrated that membrane based technique was able to isolate superior quality of pure monomeric Tat protein compare to column chromatographic technique. The other study carried out as a part of this dissertation, has involved development of high capacity, highly active, stable and reusable functionalized membrane domains for electrostatic immobilization of enzymes. Glucose oxidase (GOX) was used as a model enzyme to study the oxidation of glucose to gluconic acid and hydrogen peroxide under convective flow condition. Two different approaches of functionalization of membranes have been presented. In the first approach, alternative electrostatic attachment of cationic and anionic polyelectrolytes was carried out using Layer-By-Layer (LBL) assembly technique within a functionalized nylon based membrane. In the second one, a hydrophobic PVDF membrane was functionalized by in-situ polymerization of acrylic acid. Kinetics of glucose oxidation, effect of pH and flow rate on the activity of GOX was discussed. A comparative study was presented between the activity of free GOX, electrostatically immobilized GOX and covalently immobilized GOX, along with the advantage of convective mode of operation over soaking mode. A novel study has also been conducted on detachment and reattachment of GOX in the same membrane matrix. Further study has been directed towards implementation of the above mentioned immobilized enzymatic system for oxidative dechlorination of chloro-organics. A first time attempt was made to use a 2-stack functionalized membranes system for simultaneous enzymatic production of hydrogen peroxide in first membrane, and oxidative dechlorination of 2, 4, 6-trichlorophenol (TCP) in the Fe+2 immobilized (by ion exchange) second membrane by Fenton reaction. The technique was efficient in destruction of TCP as evident from the overall dechlorination of 70-80 %. This technique provides additional benefit of reusing the same membrane matrices by reattaching fresh GOX and Fe+2.

Iron oxide magnetic nanoparticle synthesis and their surface functionalization hold a crucial position in the design and fabrication of functional materials for a variety of biomedical applications. Non-uniform nanoparticles with poor crystallinity, prepared by conventional methods, have only limited value in biological areas. Large scale synthesis methods that are able to produce high quality, mono-dispersed iron oxide nanoparticles using low cost and environment friendly chemicals are highly desirable. Following synthesis, appropriate surface functionalization is necessary to direct the dispersibility of nanoparticles in aqueous solution in order to provide them with acceptable colloidal stability against the ion strength and many biomolecules that nanoparticles may encounter under physiological conditions. Poorly stabilized nanoparticles that easily aggregate and form large size agglomerates would be quickly cleared by the liver and other organs and are not suitable for clinical purposes. Additionally, many interesting functionalities such as fluorescence, targeting and anti-cancer properties can be immobilized onto the surface of iron oxide magnetic nanoparticles during the surface functionalization process so as to build multifunctional platforms for disease diagnosis and treatment. Polyol method can be an effective way to prepare magnetite nanoparticles that are suitable for biological applications. In a polyol system, selected surface functionalities were introduced to the nanoparticle surface via a hot injection technique. The morphology, uniformity, crystallinity and magnetic properties were examined to understand the effect of different ligand molecules on the final product. Their surface chemistry, colloidal properties and surface reactivity were also studied to evaluate their practicability in different applications. A high efficiency in-situ method for the preparation of magnetite nanoparticles attached to silica nanospheres was also developed in a polyol system. This approach eliminates several time-consuming processing steps that are in the conventional fabrication route and directly produces water-stable magnetite-silica hybrid materials with surface availability for subsequent modifications. In addition to polyalcohol, the potential of polyamine in the preparation of water-soluble magnetite nanoparticles with amine surface functionalities was also evaluated. And it is suggested that polyamine acts as solvent, stabilizing agent and reducing agent simultaneously during the synthesis. The characterization of polyamine coated nanoparticles, their surface functionalization, and subsequent application for bioseparation and drug delivery were reported.

Many of the industrial processes, used by manufacturers to produce biologics, have not been significantly updated since their original design and conception. And thus, there is a great opportunity to update and optimize manufacturing processes. Downstream purification is often considered the bottleneck of the manufacturing process and when biologics are being purified for clinical applications, the final purity is paramount. As a result, pharmaceutical products are subjected to multiple concentration, conditioning, and chromatographic steps. The pharmaceutical industry is constantly and slowly evolving and is always looking to improve efficiency. Simulations and modeling are becoming more commonly used in the pharmaceutical industry as a tool to strategically design and test new production and separation processes developed at the research and development scale. In this thesis, computational fluid dynamics (CFD) modeling was used to develop more efficient bioseparation processes by (1) using a cuboid module geometry and (2) chromatographic medium with product-specific affinity ligands. The laterally-fed class of chromatography modules has a unique cuboidal geometry, with lateral feeding of the sample in the channel above the bed and lateral collection of permeate. CFD simulations and experimental results have shown that the laterally-fed class of chromatography devices can produce sharper elution peaks, have better peak resolution, and consequently purer product fractions than conventional membrane and resin-based chromatographic formats. The enhanced performance by the laterally-fed class of chromatography devices is attributed to improved system fluidics and narrow solute residence time distribution. One other approach to improving efficiency is to address the tradeoff between purity and recovered yield, due to the non-specific binding nature of many commercial resins and membranes. Purification using high-affinity biological ligands selected on specificity to the target molecule could be a feasible solution. A purification scheme for pertactin was developed with final eluate purity of 90% and approximately 100% recovery. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von funktionellen Magnetit-Nanokompositen durch Sprühtrocknung für die Anwendung in der Bioseparation. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Anwendung von Polyelektrolyten als Ionenaustauscher sowie auf der Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses. Basierend auf einem existierenden Herstellungsprozess wurde die Aufgabenstellung konkretisiert. Es wurden Möglichkeiten zur nachhaltigen Prozessgestaltung der Synthese von kationischen bzw. anionischen magnetischen Funktionspartikeln zur Proteinabtrennung vorgestellt. Als magnetische Komponente wurde Magnetit verwendet. Aufgrund seines pseudo-amphiphilen Charakters und seiner besonderen Eigenschaften in Bezug auf die Stabilisierung von Magnetit-Kolloiden wurde Polyvinylbutyral (Mowital B 30T) als Matrixpolymer bei der Sprühtrocknung benutzt. Für die nachhaltige Prozessgestaltung wurden Isopropanol und Tetrahydrofuran als Dichlormethan-Ersatz bei der Sprühtrocknung verwendet. Bei der Synthese kationischer Magnetic Beads wurden verzweigtes Polyethylenimin und lineares Poly(Allyamin) als Anionenaustauscher verwendet. Beide Polykationen sind schwache Polyelektrolyte mit Aminogruppen. Für die Verarbeitung der Polykationen als funktionelle Liganden in magnetischen Funktionspartikeln wurde zwei Herstellungsmethoden vorgestellt: eine Synthese ohne Oberflächenmodifizierung, wobei die mechanische und chemische Stabilität der Funktionspartikeln einzig von der chemischen Struktur der eingesetzten Materialien bzw. vom Matrixpolymer abhängt, und eine Synthese mit Oberflächenmodifizierung. Die Synthese mit Oberflächenmodifizierung ist gekennzeichnet durch die kovalente Bindung von Polyethylenimin bzw. Poly(Allyamin) an der Oberfläche der Funktionspartikeln (Polyvinylbutyral). Dafür wurde 1,1’-Carbonyldiimidazol als „zero length“-Crosslinker benutzt. Die nach beiden Methoden hergestellten Funktionspartikeln wurden charakterisiert, um ihre technische Eignung beurteilen zu können. Für die Charakterisierung der sorptiven Eigenschaften wurde unter anderem der Bowman-Birk Inhibitor (BBI) verwendet. Das Protein ist ein Sojaprodukt und für seine krebsvorbeugende Wirkung bekannt. Um die Selektivität der Abtrennung zu untersuchen, wurden BBI-Produkte mit unterschiedlichen Reinheitsgraden benutzt. Durch die zwei vorgestellten Methoden konnten kationische magnetische Funktionspartikeln erfolgreich hergestellt werden. Alle Funktionspartikeln sind superparamagnetisch, und der Medianwert ihrer Partikelgrößenverteilung liegt im einstelligen Mikrometerbereich. Aufgrund eines höheren Polykationanteils ist die Bindungskapazität der Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung um den Faktor 2,4 größer als die BBI-Bindungskapazität der Funktionspartikeln mit Oberflächenmodifizierung (Qmax=322 mg/g). Das Fehlen eine feste Anbindung des funktionellen Liganden an den Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung verleiht jedoch diesen eine sehr schlechte chemische Stabilität in Lösungen. Es wurde auch gezeigt, dass oberflächenmodifizierte Funktionspartikeln mit ähnlichen Eigenschaften durch den Einsatz von Dichlormethan bzw. Tetrahydrofuran als Lösungsmittelersatz während der Sprühtrocknung hergestellt werden können. Durch den Einsatz von mit Poly(allylamin) oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln konnte BBI von technischen Sojamolken unterschiedlicher Reinheitsgrade erfolgreich abgetrennt werden. Anionische Magnetic Beads wurden mit Kationenaustauscherharz als funktionellem Ligand hergestellt. Dabei wurde Isopropanol als organisches Lösungsmittel während der Sprühtrocknung verwendet. Die Synthese wurde analog zur Synthese der kationischen Magnetic Beads ohne Oberflächenmodifizierung durchgeführt. Es wurde auch hier gezeigt, dass anionische magnetische Funktionspartikeln mit guten sorptiven Eigenschaften durch den Einsatz von Isopropanol als organisches Lösungsmittel hergestellt werden können. Die anionischen Funktionspartikeln besitzen im Vergleich zu Literaturwerten höhere Bindungskapazitäten (bis 280 mg/g; ermittelt mit Lysozym). Im letzten Kapitel wird der kritische Prozessschritt des Lösungsmittelaustausches behandelt. Nach dem Lösungsmittelaustausch sollten die Magnetitnanopartikeln in der organischen Phase stabil sein. Dies ermöglicht sowohl eine homogene Verteilung der Nanopartikeln in der Matrix als auch deren bessere Verkapselung während der Sprühtrocknung. Es wurde festgestellt, dass sich eine vollständige Abtrennung von Dichlormethan durch die angewendete Destillationsmethode nicht erreichen lässt. Anhand von zwei Modellsystemen — Rizinolsäure- und Ölsäure-beschichteten Magnetitnanopartikeln — und Lösungsmittelgemischen wurde die Stabilität von sterisch stabilisierten Magnetitpartikeln in binären Lösungsmittelgemischen untersucht. Der Fokus bei dieser Untersuchung lag auf der Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einer möglichst Dichlormethan- bzw. Isooktan-freien organischen Phase. Als zweites Lösungsmittel (als Lösungsmittelersatz betrachtet) wurden neben Tetrahydrofuran und Isopropanol technisch verbreitete Lösungsmittel wie Isooktan und 1-Butanol eingesetzt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Anwendung der technischen Rizinolsäure bzw. Ölsäure einen zusätzlichen Einfluss auf die Stabilität der Magnetitpartikeln hat, da diese aus anderen Fettsäuren mit unterschiedlichen chemischen Strukturen bestehen. Die Diskrepanz zwischen der berechneten HANSEN-Distanzen und der Stabilität der Magnetitnanopartikeln mit reinen Fettsäuren lässt vermutet, dass die Zusammensetzung der Lösungsmittelgemische an der fest/flüssig-Grenzfläche anders ist als im freien Volumen. Ein Modell zur Beschreibung der Stabilität der Nanopartikeln, das auf einer Anreicherung des Ausgangslösungsmittels an der Grenzfläche basiert, wurde postuliert. Solange die Diffusion des zweiten Lösungsmittels in die Adsorptionsschicht nicht ausreichend genug ist, um die Löslichkeit der Fettsäureketten entscheidend zu reduzieren und somit einen Abfall der Abstoßungskräfte zwischen der Partikeln hervorzurufen, bleiben alle beschichteten Magnetitnanopartikeln stabil im Lösungsmittelgemisch. Dies ist der Fall für die mit der reinen Rizinolsäure beschichteten Magnetitnanopartikeln in allen verwendeten Lösungsmittelgemischen mit 0,5 Vol. % DCM in der kontinuierlichen Phase. Durch die vorgestellten Herstellungsmethoden wurde gezeigt, dass magnetische Funktionspartikeln sowohl mit festen partikelförmigen Ionenaustauschern als auch mit flüssigen schwachen Polyelektrolyten erfolgreich synthetisiert werden können. Eine nachhaltige Prozessgestaltung durch die Reduzierung der Dichlormethanmenge im Sprühtrocknungsprozess ist auch möglich. Für eine erfolgreiche industrielle Anwendung der Funktionspartikeln müssen aber ihre chemischen sowie mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert werden. Dies könnte z.B. durch die Verwendung eines anderen Matrixpolymers oder durch die Entfernung von nicht gebundenen Bestandteilen durch gezielte Waschung der Funktionspartikeln erfolgen. Die Bindungskapazität sowie die Selektivität der oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln sollte ebenfalls verbessert werden. Dafür wurde einen Ansatz durch die Quaternisierung der Aminogruppen präsentiert. Schließlich würde die Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einphasigen reinen Lösungsmitteln nähere Erkenntnisse über das postulierte Modell der Anreicherung von Dichlormethan in der Adsorptionsschicht erbringen. Dabei könnte die Dichlormethanmenge durch mehrstufige Destillation bzw. Rektifikation beim Lösungsmittelaustausch entfernt werden. Eine vollständige Untersuchung dieses Effekts würde zusätzlich eine Antwort auf zahlreiche Fragestellungen der Kolloidchemie in Bezug auf das Stabilitätsverhalten von Pigmentdispersionen (Lacke) oder von beschichteten Nanopartikeln in Polymerlösungen erbringen.

Magnetic thin films and patterned nanostructures have been studied with respect to their magnetic properties using SQUID-magnetometry, magnetic force microscopy, electrical measurements, and micromagnetic calculations. Properties of vortex domain walls, trapped in Permalloy nanowires with artificial constrictions, were investigated experimentally and by numerical calculations. In particular, the geometrical extent and strength of the pinning potential were evaluated. In these wires, long-range vortex domain wall displacement induced by spin polarized alternating currents was obtained numerically at reduced threshold current densities as compared with the direct current case. Due to the asymmetry of the energy potential, the long-range displacement direction is determined by the vortex chirality. Strained FeCo/Pt superlattices with strong perpendicular anisotropy were investigated experimentally. The strain was controlled by varying the thickness of each alternating layer with monolayer precision and was found to have a dominating effect on the total anisotropy. Epitaxial films of the diluted magnetic semiconductor (Ga,Mn)As were studied with focus on how the ferromagnetic transition temperature could be controlled by post-growth annealing. The ferromagnetic transition temperature was enhanced by approximately 85% for a Mn-doping concentration of 6% under certain conditions. A method to manipulate micrometer sized magnetic particles on patterned arrays of elliptical Permalloy microstructures was studied. Controlled motion and separation of the magnetic particles were obtained using applied rotating magnetic fields. The domain structure of the elliptical elements was studied numerically.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von funktionellen Magnetit-Nanokompositen durch Sprühtrocknung für die Anwendung in der Bioseparation. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Anwendung von Polyelektrolyten als Ionenaustauscher sowie auf der Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses. Basierend auf einem existierenden Herstellungsprozess wurde die Aufgabenstellung konkretisiert. Es wurden Möglichkeiten zur nachhaltigen Prozessgestaltung der Synthese von kationischen bzw. anionischen magnetischen Funktionspartikeln zur Proteinabtrennung vorgestellt. Als magnetische Komponente wurde Magnetit verwendet. Aufgrund seines pseudo-amphiphilen Charakters und seiner besonderen Eigenschaften in Bezug auf die Stabilisierung von Magnetit-Kolloiden wurde Polyvinylbutyral (Mowital B 30T) als Matrixpolymer bei der Sprühtrocknung benutzt. Für die nachhaltige Prozessgestaltung wurden Isopropanol und Tetrahydrofuran als Dichlormethan-Ersatz bei der Sprühtrocknung verwendet. Bei der Synthese kationischer Magnetic Beads wurden verzweigtes Polyethylenimin und lineares Poly(Allyamin) als Anionenaustauscher verwendet. Beide Polykationen sind schwache Polyelektrolyte mit Aminogruppen. Für die Verarbeitung der Polykationen als funktionelle Liganden in magnetischen Funktionspartikeln wurde zwei Herstellungsmethoden vorgestellt: eine Synthese ohne Oberflächenmodifizierung, wobei die mechanische und chemische Stabilität der Funktionspartikeln einzig von der chemischen Struktur der eingesetzten Materialien bzw. vom Matrixpolymer abhängt, und eine Synthese mit Oberflächenmodifizierung. Die Synthese mit Oberflächenmodifizierung ist gekennzeichnet durch die kovalente Bindung von Polyethylenimin bzw. Poly(Allyamin) an der Oberfläche der Funktionspartikeln (Polyvinylbutyral). Dafür wurde 1,1’-Carbonyldiimidazol als „zero length“-Crosslinker benutzt. Die nach beiden Methoden hergestellten Funktionspartikeln wurden charakterisiert, um ihre technische Eignung beurteilen zu können. Für die Charakterisierung der sorptiven Eigenschaften wurde unter anderem der Bowman-Birk Inhibitor (BBI) verwendet. Das Protein ist ein Sojaprodukt und für seine krebsvorbeugende Wirkung bekannt. Um die Selektivität der Abtrennung zu untersuchen, wurden BBI-Produkte mit unterschiedlichen Reinheitsgraden benutzt. Durch die zwei vorgestellten Methoden konnten kationische magnetische Funktionspartikeln erfolgreich hergestellt werden. Alle Funktionspartikeln sind superparamagnetisch, und der Medianwert ihrer Partikelgrößenverteilung liegt im einstelligen Mikrometerbereich. Aufgrund eines höheren Polykationanteils ist die Bindungskapazität der Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung um den Faktor 2,4 größer als die BBI-Bindungskapazität der Funktionspartikeln mit Oberflächenmodifizierung (Qmax=322 mg/g). Das Fehlen eine feste Anbindung des funktionellen Liganden an den Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung verleiht jedoch diesen eine sehr schlechte chemische Stabilität in Lösungen. Es wurde auch gezeigt, dass oberflächenmodifizierte Funktionspartikeln mit ähnlichen Eigenschaften durch den Einsatz von Dichlormethan bzw. Tetrahydrofuran als Lösungsmittelersatz während der Sprühtrocknung hergestellt werden können. Durch den Einsatz von mit Poly(allylamin) oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln konnte BBI von technischen Sojamolken unterschiedlicher Reinheitsgrade erfolgreich abgetrennt werden. Anionische Magnetic Beads wurden mit Kationenaustauscherharz als funktionellem Ligand hergestellt. Dabei wurde Isopropanol als organisches Lösungsmittel während der Sprühtrocknung verwendet. Die Synthese wurde analog zur Synthese der kationischen Magnetic Beads ohne Oberflächenmodifizierung durchgeführt. Es wurde auch hier gezeigt, dass anionische magnetische Funktionspartikeln mit guten sorptiven Eigenschaften durch den Einsatz von Isopropanol als organisches Lösungsmittel hergestellt werden können. Die anionischen Funktionspartikeln besitzen im Vergleich zu Literaturwerten höhere Bindungskapazitäten (bis 280 mg/g; ermittelt mit Lysozym). Im letzten Kapitel wird der kritische Prozessschritt des Lösungsmittelaustausches behandelt. Nach dem Lösungsmittelaustausch sollten die Magnetitnanopartikeln in der organischen Phase stabil sein. Dies ermöglicht sowohl eine homogene Verteilung der Nanopartikeln in der Matrix als auch deren bessere Verkapselung während der Sprühtrocknung. Es wurde festgestellt, dass sich eine vollständige Abtrennung von Dichlormethan durch die angewendete Destillationsmethode nicht erreichen lässt. Anhand von zwei Modellsystemen — Rizinolsäure- und Ölsäure-beschichteten Magnetitnanopartikeln — und Lösungsmittelgemischen wurde die Stabilität von sterisch stabilisierten Magnetitpartikeln in binären Lösungsmittelgemischen untersucht. Der Fokus bei dieser Untersuchung lag auf der Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einer möglichst Dichlormethan- bzw. Isooktan-freien organischen Phase. Als zweites Lösungsmittel (als Lösungsmittelersatz betrachtet) wurden neben Tetrahydrofuran und Isopropanol technisch verbreitete Lösungsmittel wie Isooktan und 1-Butanol eingesetzt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Anwendung der technischen Rizinolsäure bzw. Ölsäure einen zusätzlichen Einfluss auf die Stabilität der Magnetitpartikeln hat, da diese aus anderen Fettsäuren mit unterschiedlichen chemischen Strukturen bestehen. Die Diskrepanz zwischen der berechneten HANSEN-Distanzen und der Stabilität der Magnetitnanopartikeln mit reinen Fettsäuren lässt vermutet, dass die Zusammensetzung der Lösungsmittelgemische an der fest/flüssig-Grenzfläche anders ist als im freien Volumen. Ein Modell zur Beschreibung der Stabilität der Nanopartikeln, das auf einer Anreicherung des Ausgangslösungsmittels an der Grenzfläche basiert, wurde postuliert. Solange die Diffusion des zweiten Lösungsmittels in die Adsorptionsschicht nicht ausreichend genug ist, um die Löslichkeit der Fettsäureketten entscheidend zu reduzieren und somit einen Abfall der Abstoßungskräfte zwischen der Partikeln hervorzurufen, bleiben alle beschichteten Magnetitnanopartikeln stabil im Lösungsmittelgemisch. Dies ist der Fall für die mit der reinen Rizinolsäure beschichteten Magnetitnanopartikeln in allen verwendeten Lösungsmittelgemischen mit 0,5 Vol. % DCM in der kontinuierlichen Phase. Durch die vorgestellten Herstellungsmethoden wurde gezeigt, dass magnetische Funktionspartikeln sowohl mit festen partikelförmigen Ionenaustauschern als auch mit flüssigen schwachen Polyelektrolyten erfolgreich synthetisiert werden können. Eine nachhaltige Prozessgestaltung durch die Reduzierung der Dichlormethanmenge im Sprühtrocknungsprozess ist auch möglich. Für eine erfolgreiche industrielle Anwendung der Funktionspartikeln müssen aber ihre chemischen sowie mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert werden. Dies könnte z.B. durch die Verwendung eines anderen Matrixpolymers oder durch die Entfernung von nicht gebundenen Bestandteilen durch gezielte Waschung der Funktionspartikeln erfolgen. Die Bindungskapazität sowie die Selektivität der oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln sollte ebenfalls verbessert werden. Dafür wurde einen Ansatz durch die Quaternisierung der Aminogruppen präsentiert. Schließlich würde die Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einphasigen reinen Lösungsmitteln nähere Erkenntnisse über das postulierte Modell der Anreicherung von Dichlormethan in der Adsorptionsschicht erbringen. Dabei könnte die Dichlormethanmenge durch mehrstufige Destillation bzw. Rektifikation beim Lösungsmittelaustausch entfernt werden. Eine vollständige Untersuchung dieses Effekts würde zusätzlich eine Antwort auf zahlreiche Fragestellungen der Kolloidchemie in Bezug auf das Stabilitätsverhalten von Pigmentdispersionen (Lacke) oder von beschichteten Nanopartikeln in Polymerlösungen erbringen.

Membrane filtration processes are widely utilized across different industrial sectors for biological and environmental separations. Examples of the former are sterile filtration and protein fractionation via microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) while drinking water treatment, tertiary treatment of wastewater, water reuse and desalination via MF, UF, nanofiltration (NF) and reverse-osmosis (RO) are examples of the latter. A common misconception is that the performance of membrane separation is solely dependent on the membrane pore size, whereas a multitude of parameters including solution conditions, solute concentration, presence of specific ions, hydrodynamic conditions, membrane structure and surface properties can significantly influence the separation performance and the membrane’s fouling propensity. The conventional approach for studying filtration performance is to use a single lab- or pilot-scale module and perform numerous experiments in a sequential manner which is both time-consuming and requires large amounts of material. Alternatively, high-throughput (HT) techniques, defined as the miniaturized version of conventional unit operations which allow for multiple experiments to be run in parallel and require a small amount of sample, can be employed. There is a growing interest in the use of HT techniques to speed up the testing and optimization of membrane-based separations. In this work, different HT screening approaches are developed and utilized for the evaluation and optimization of filtration performance using flat-sheet and hollow-fiber (HF) membranes used in biological and environmental separations. The effects of various process factors were evaluated on the separation of different biomolecules by combining a HT filtration method using flat-sheet UF membranes and design-of-experiments methods. Additionally, a novel HT platform was introduced for multi-modal (constant transmembrane pressure vs. constant flux) testing of flat-sheet membranes used in bio-separations. Furthermore, the first-ever HT modules for parallel testing of HF membranes were developed for rapid fouling tests as well as extended filtration evaluation experiments. The usefulness of the modules was demonstrated by evaluating the filtration performance of different foulants under various operating conditions as well as running surface modification experiments. The techniques described herein can be employed for rapid determination of the optimal combination of conditions that result in the best filtration performance for different membrane separation applications and thus eliminate the need to perform numerous conventional lab-scale tests. Overall, more than 250 filtration tests and 350 hydraulic permeability measurements were performed and analyzed using the HT platforms developed in this thesis. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Membrane filtration is widely used as a key separation process in different industries. For example, microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) are used for sterilization and purification of bio-products. Furthermore, MF, UF and reverse-osmosis (RO) are used for drinking water and wastewater treatment. A common misconception is that membrane filtration is a process solely based on the pore size of the membrane whereas numerous factors can significantly affect the performance. Conventionally, a large number of lab- or full-scale experiments are performed to find the optimum operating conditions for each filtration process. High-throughput (HT) techniques are powerful methods to accelerate the pace of process optimization—they allow for multiple experiments to be run in parallel and require smaller amounts of sample. This thesis focuses on the development of different HT techniques that require a minimal amount of sample for parallel testing and optimization of membrane filtration processes with applications in environmental and biological separations. The introduced techniques can reduce the amount of sample used in each test between 10-50 times and accelerate process development and optimization by running parallel tests.