Current high-throughput screening (HTS) tools (i.e., single-use 96-well filter plate) are limited to the few membrane types that are sold commercially, restricting the ability to screen membrane materials for targeted applications. In this thesis, a multi-well device capable of screening any flat-sheet membrane was designed, where multiple devices can be stacked for extensive HTS (>32 experiments). Confocal imaging of a Natrix Q cross-section – a membrane type not sold in a commercial filter plate – was carried out after 24 h in contact with green fluorescent protein to visually confirm protein-membrane interactions. The static binding capacity (SBC) of bovine serum albumin (BSA) and Herring testes DNA was found for specific parameters: membrane type (Mustang Q, Sartobind Q, Natrix Q, Durapore), salt concentration (0, 50, 100 mM NaCl), and contact time (1 min, 4 h, 8 h, 24 h). Considering solution conditions, the highest BSA SBC was observed with Natrix Q at 0 M NaCl with a contact time of 24 h. The DNA and BSA SBC values for Natrix Q were the highest among the membrane types evaluated, demonstrating consistency with literature trends. These findings suggest that SBC experiments can predict promising membrane materials for scaled-up applications. Finally, the chromatography process was replicated in this multi-well device (Natrix Q), showing 50% BSA elution from the membrane. The results of this thesis confirmed this ability to accommodate any membrane adsorber, simultaneously compare different membrane materials, and extract the membrane for post-experimental analysis. This work’s significance was emphasized in its future potential to aid with membrane material selection, particularly with exploring the properties of next-generation membrane materials (e.g., 3D-printed membranes). Three future areas for optimization with this multi-well device were highlighted: biotherapeutic purification, sequencing of membrane materials within a process, and applying it as a tool to understand ion selectivity. / Thesis / Master of Applied Science (MASc) / Membranes are used in many industries, such as water treatment, environmental remediation, and biopharmaceuticals. In the biopharmaceutical industry, high-throughput screening (HTS) tools (e.g., filter plates), which allow for miniaturized experiments, are used to perform extensive experimental analysis to determine optimal solution conditions (e.g., pH) for biomolecule binding. Unfortunately, commercial filter plates are limited in customizability for HTS of membrane materials. To address these limitations, this thesis focuses on designing and validating a multi-well device capable of incorporating any membrane adsorber. Different biomolecules (proteins, DNA), solution conditions, and membrane materials were evaluated. The results of this thesis confirmed this ability to accommodate any membrane adsorber, simultaneously compare different membrane materials, and extract the membrane for post-experimental analysis. This work also discussed using this device for future rapid membrane material selection in multiple industries (e.g., biotherapeutics, ion extraction).

Kommerziell erhältliche Ionenaustauscher basieren häufig auf funktionalisierten Cellulosemembranen, die mit CerIV und Glycidylmethacrylat (GMA) gepfropft und anschließend sulfoniert werden.  Die Untersuchung dieser Polymerisation zeigte, dass während der Pfropfung eine Vernetzung des Polymers über die Epoxidfunktion des Monomers auftritt. Daher konnte keine direkte Analyse des entstandenen Hydrogels durchgeführt werden und es wurde stattdessen Methylmethacrylat (MMA) auf der Oberfläche polymerisiert. Nach Entwicklung eines geeigneten Verfahrens zur Zersetzung der Membranen und Isolierung des Pfropfpolymers konnte dieses mit Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) analysiert werden. Zusätzlich wurden Polymerisationen auf nicht-porösem Cellophan durchgeführt und die erhaltenen Proben mittels Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) untersucht.  Die Ergebnisse zeigen, dass das gepfropfte PMMA einen Polymerisationsgrad von 2100 und eine Dichte von 0,45 Ketten pro nm2 auf der Oberfläche hat. Wird die gleiche Anzahl an Polymeren auch für Pfropfung mit PGMA angenommen und mit dem Pfropfgrad verglichen, ergibt sich damit unter Vernachlässigung der Vernetzung ein Polymerisationsgrad von etwa 800. Es konnte gezeigt werden, dass die für die Pfropfung verwendete Emulsion unter anderem aus Tröpfchen besteht, deren Größe mit der der Poren der Membran übereinstimmt. Dennoch treten bei der Polymerisation keine Ausschlusseffekte auf und die Größenverteilung der Emulsionspartikel stellt sich auch nach Filtration zügig wieder ein. Zusätzlich wurde eine Methode der Atom-Transfer radikalischen Polymerisation (ATRP) auf mikroporösen Membranen entwickelt und eingesetzt, um gezielt bestimmte Eigenschaften des Hydrogels zu variieren. Bei Versuchen mit MMA wurde der reversibel deaktivierte Charakter unter den verwendeten Bedingungen untersucht und nachgewiesen.  Die verwendete Methode erlaubt, die Kettenanzahl und –länge separat voneinander einzustellen, sodass der Einfluss dieser Größen auf die Eigenschaften des resultierenden Membranadsorbers gezielt untersucht werden konnte. Es zeigte sich, dass die Dichte der Ketten einen komplexen Einfluss sowohl auf die Permeabilität als auch auf die Bindungskapazität des Ionentauschers hat. Der Einfluss der Kettenlänge ist dagegen weniger subtil und entspricht den Erwartungen.  Aus den gewonnenen Daten wurde ein Modell für die Bindung von Proteinen an der gepfropften Oberfläche des Austauschers entwickelt und daraus die Kettenlänge und –dichte des Hydrogels abgeschätzt und mit alternativen Methoden verglichen.