Anammox (anaerobic ammonium oxidation) process is a one-step conversion of ammonia into nitrogen gas with nitrite as an electron acceptor. It has been developed as a sustainable technology for ammonia removal from wastewater in the last decade. For wastewater treatment, anammox biomass was widely developed as microbial aggregate where the conditions for enrichment of anammox community must be delicately controlled and growth of other bacteria especially NOB should be suppressed to enhance nitrogen removal efficiency. Little is known about the distribution of microbial aggregates in anammox process. Thus the objective of our study was to assess whether segregation of biomass occurs in granular anammox system. In this study, a laboratory-scale sequential batch reactor (SBR) was successfully operated for a period of 80 days with granular anammox biomass. Temporal and spatial distribution of microbial aggregates was studied by particle characterization system and the distribution of functional microbial communities was studied with qPCR and 16s rRNA amplicon pyrosequencing. Our study revealed the spatial and temporal distribution of biomass aggregates based on their sizes and density. Granules (>200 μm) preferentially accumulated in the bottom of the reactor while floccules (30-200 μm) were relatively rich at the top layer. The average density of aggregate was higher at the bottom than the density of those at the top layer. Degranulation caused by lack of hydrodynamic shear force in the top layer was considered responsible for this phenomenon. NOB was relatively rich in the top layer while percentage of anammox population was higher at the bottom, and anammox bacteria population gradually increased over a period of time. NOB growth was supposed to be associated with the increase of floccules based on the concurrent occurrence. Thus, segregation of biomass can be utilized to develop an effective strategy to enrich anammox and wash out NOB by shortening the settling time and withdrawing floccular biomass from the top of the reactor.

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des DFG Graduiertenkollegs 1703 „Ressourceneffizienz in Unternehmensnetzwerken – Methoden zur betrieblichen und überbetrieblichen Planung für die Nutzung erneuerbarer Rohstoffe“ durchgeführt. Es wurde der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Morphologie der Holzkomponente von Holz-Kunststoff-Kompositen (Wood Plastic Composites – WPC) untersucht. Die Ergebnisse wurden bereits anderswo publiziert bzw. zur Publikation eingereicht (insgesamt vier Publikationen) und werden innerhalb individueller Kapitel der vorliegenden Arbeit wiedergegeben. WPC vereinen die Eigenschaften von Holz als Füllstoff mit den Eigenschaften von Polymeren als Matrixmaterial. Aktuelle Literatur und Forschungsarbeiten wurden gesichtet, um Möglichkeiten zu identifizieren, wie WPC zu einer effizienten Ressourcennutzung beitragen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Vielzahl von Abfall- und Nebenprodukten aus Holz- und Agrarwirtschaft zur Herstellung von WPC verwendet werden kann, z.B. Sägespäne, Reststoffe aus der Plattenproduktion und Schlämme aus der Faserstoffproduktion. Darüber hinaus können auch Kunststoff-Rezyklate und Biokunststoffe als Rohstoff dienen. Für die Eigenschaften von WPC spielt die Morphologie der Holzkomponente – Fasern oder Partikel – eine entscheidende Rolle. Während der Verarbeitung von WPC treten hohe Temperaturen und Scherkräfte auf, welche zur Zerkleinerung der Holzkomponente führen. Um die Zerkleinerung während der Verarbeitung analysieren zu können, wurde die Eignung der Partikel¬charakterisierung mittels dynamischer Bildanalyse zur Größenbestimmung von WPC-Füllstoffen geprüft. Dafür wurden Holzpartikel aus der Polymermatrix gelöst und ihre Morphologie vor und nach der Verarbeitung verglichen. Es zeigte sich, dass eine Auswertung bezüglich der längenbasierten Größenverteilung am besten geeignet ist, um Prozess-Effekte zu analysieren, da Partikel an beiden Enden der Größenverteilung gut abgebildet werden. Die Effekte von Prozessparametern wie Holzanteil, Beschickungsmethode, Vorwärmen des Holzes, Polymerviskosität, Rotor-/Schneckendrehzahl, Förderrate und Schneckenkonfiguration auf die Holzzerkleinerung wurden untersucht. Dazu wurden Fichtenholz-Partikel (Picea abies) entweder unter Verwendung eines Innenmischers oder eines Doppelschnecken-Extruders mit Polypropylen (PP) compoundiert. Zur Bestimmung des Einflusses der Polymerviskosität wurden verschiedene Sorten PP und schwachverzweigtes Polyethylen (HDPE) verwendet, welche sich in ihrem Schmelzflussindex (melt flow rate – MFR) unterscheiden. Nach dem Compoundieren betrug die Partikelgröße nur noch < 3 % der ursprünglichen Größe. Bei den PP-Kompositen nahm die Partikelzerkleinerung sowohl im Innenmischer als auch im Extruder mit zunehmendem Holzanteil zu. Auch eine zunehmende Anzahl an Knetelementen im Schneckenprofil führte zu einer stärkeren Partikelzerstörung. Bei den HDPE-Kompositen war der Einfluss des Holzanteils nur gering. Wurden die Holzpartikel und das Polymer dem Prozess gleichzeitig zugeführt, war die Partikelzerstörung intensiver als wenn die Partikel dem bereits geschmolzenen Polymer zugegeben wurden. Auch ein Vorwärmen der Partikel führte zu einer stärkeren Zerkleinerung. Die Zerkleinerung konnte unter Verwendung eines Matrixpolymers mit hohem MFR reduziert werden. Zum einen variierte der Einfluss der Förderrate mit der Schneckendrehzahl, zum anderen variierte der Einfluss von Förderrate und Schneckendrehzahl auch mit dem Holzanteil. Da die Bedingungen des Compoundierprozesses im Labormaßstab üblicherweise nicht mit Bedingungen im Industriemaßstab vergleichbar sind, wurden die Prozessparameter an einem Labor-Extruder so gewählt, dass sie industrielle Bedingungen imitieren. Die Einkürzung von Kiefernholzfasern (Pinus radiata) wurde mit der Einkürzung von Glasfasern verglichen, da diese ein Standardmaterial in der industriellen Kompositfertigung darstellen. Mittels sogenannter „Dead-stop“-Versuche und Probennahme entlang der Extruderschnecken wurde der Einfluss von Schneckenkonfiguration, Schneckendrehzahl und Förderrate analysiert. Prozesseinstellungen, die einen geringeren Anteil an spezifischer mechanischer Energie ins Material eintrugen, sowie eine schonende Schneckenkonfiguration verzögerten die Fasereinkürzung entlang der Extruderschnecken. Für eingangs längere Glasfasern war dieser Effekt ausgeprägter als für eingangs kürzere Holzfasern. Die Faserlänge im Endprodukt zeigte jedoch keine Unterschiede bezüglich der Prozesseinstellungen. Glasfasern zeigten deutlichere Unterschiede in der Faserlänge aufgrund der Schneckenkonfiguration als Holzfasern. Diese spiegelten sich auch in den mechanischen Eigenschaften wieder: ein aggressiveres Schneckenprofil resultierte in geringeren Festigkeiten bei den Glasfaser-Kompositen, jedoch nicht bei den Holzfaser-Kompositen.

Magnetic nanoparticles (MNPs) hold great promise in the fields of biology and medicine. The synthesis of functional MNPs with precisely controlled crystallographic, physicochemical, and magnetic properties on a large scale still remains the challenge today. This thesis reports the exploration of liquid-fed flame spray pyrolysis (FSP) in the synthesis of functional MNPs, their surface modifications, and potential bio-applications. Superparamagnetic and ferromagnetic maghemite (γ-Fe2O3) nanoparticles, and silica-coated maghemite (SiO2/γ-Fe2O3) nanocomposites were synthesised using FSP. The size of γ-Fe2O3 was controllable from 6 to 53 nm, with morphology evolving from a disordered near-spherical shape to fully ordered 2-D hexagonal/octagonal platelet. The saturation magnetisation (Ms) increased from 21 to 74 emu/g with increasing particle size, up to 13 nm when Ms approached the bulk γ-Fe2O3 characteristics. In the case of SiO2/γ-Fe2O3, three distinct morphologies, namely the single segregated γ-Fe2O3 core- SiO2 shell, transitional mixed morphologies, and multi γ-Fe2O3 cores embedded in submicron SiO2 shell, were obtained. The core size, composite size, and morphology of γ- Fe2O3 were tunable by varying %SiO2 loading and the use of a quartz tube enclosure during flame synthesis. The magnetic behaviour correlated well with the crystal microstructure. Following the core particle design, protein adsorption-desorption behaviour on FSP-madeMNPs was studied. Bovine serum albumin (BSA) adsorption was found to follow the Langmuir isotherm, with high binding capacities (150−348 mg BSA/g particle) and fast association constants. Electrostatically governed BSA orientations were proposed for different particle-buffer systems. The adsorbed BSA was effectively recovered by pH-shift using K2HPO4. Subsequently, terminal amine, aldehyde, carboxylic, epoxy, mercapto and maleimide functionality were anchored onto the FSP-made γ-Fe2O3 particles. These versatile functional groups led to conjugation of active trypsin. The immobilised trypsin exhibited superior durability with >60% residual activity after one week, and excellent reusability for >5 cycles. The trypsin-conjugated MNPs are promising carriers in proteomics, demonstrating good substrate specificity with equivalent or better sequence coverage compared to free trypsin in insulin and BSA digestion. In another application, a refined silanisation procedure simultaneously reduced γ-Fe2O3 to Fe3O4, and generated thiol enriched surface for matrix metalloproteinase-2 (MMP-2) conjugation. The highly active MMP-2-conjugated MNPs could potentially enhance the interstitial transport of macromolecule/nanoparticles in drug delivery.

Magnetic nanoparticles (MNPs) hold great promise in the fields of biology and medicine. The synthesis of functional MNPs with precisely controlled crystallographic, physicochemical, and magnetic properties on a large scale still remains the challenge today. This thesis reports the exploration of liquid-fed flame spray pyrolysis (FSP) in the synthesis of functional MNPs, their surface modifications, and potential bio-applications. Superparamagnetic and ferromagnetic maghemite (γ-Fe2O3) nanoparticles, and silica-coated maghemite (SiO2/γ-Fe2O3) nanocomposites were synthesised using FSP. The size of γ-Fe2O3 was controllable from 6 to 53 nm, with morphology evolving from a disordered near-spherical shape to fully ordered 2-D hexagonal/octagonal platelet. The saturation magnetisation (Ms) increased from 21 to 74 emu/g with increasing particle size, up to 13 nm when Ms approached the bulk γ-Fe2O3 characteristics. In the case of SiO2/γ-Fe2O3, three distinct morphologies, namely the single segregated γ-Fe2O3 core- SiO2 shell, transitional mixed morphologies, and multi γ-Fe2O3 cores embedded in submicron SiO2 shell, were obtained. The core size, composite size, and morphology of γ- Fe2O3 were tunable by varying %SiO2 loading and the use of a quartz tube enclosure during flame synthesis. The magnetic behaviour correlated well with the crystal microstructure. Following the core particle design, protein adsorption-desorption behaviour on FSP-madeMNPs was studied. Bovine serum albumin (BSA) adsorption was found to follow the Langmuir isotherm, with high binding capacities (150−348 mg BSA/g particle) and fast association constants. Electrostatically governed BSA orientations were proposed for different particle-buffer systems. The adsorbed BSA was effectively recovered by pH-shift using K2HPO4. Subsequently, terminal amine, aldehyde, carboxylic, epoxy, mercapto and maleimide functionality were anchored onto the FSP-made γ-Fe2O3 particles. These versatile functional groups led to conjugation of active trypsin. The immobilised trypsin exhibited superior durability with >60% residual activity after one week, and excellent reusability for >5 cycles. The trypsin-conjugated MNPs are promising carriers in proteomics, demonstrating good substrate specificity with equivalent or better sequence coverage compared to free trypsin in insulin and BSA digestion. In another application, a refined silanisation procedure simultaneously reduced γ-Fe2O3 to Fe3O4, and generated thiol enriched surface for matrix metalloproteinase-2 (MMP-2) conjugation. The highly active MMP-2-conjugated MNPs could potentially enhance the interstitial transport of macromolecule/nanoparticles in drug delivery.