D. Breite, M. Went, M. Krause, M. Kühnert, A. Prager, L. Stieler, N. Schönherr, A. Schulze 
Preparation of flat sheet recycled PET membranes from high temperature solutions via a NIPS-TIPS hybrid separation process 
Sep. Purif. Technol. (2026), https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.135910  

Polyethylenterephthalat (PET) hat sehr interessante Eigenschaften für die Verwendung als Membranmaterial und ist als Recycling-Polymer in großen Mengen verfügbar. Es hat eine hohe mechanische und thermische Stabilität, und seine Lösungsmittelbeständigkeit ermöglicht den Einsatz organischer Lösungsmittel auch bei hohen Temperaturen. Diese Lösungsmittelbeständigkeit macht es jedoch fast unmöglich, poröse Membranen aus PET durch nicht-lösungsmittelinduzierte Phasentrennung (NIPS) unter Umgebungsbedingungen herzustellen. Bislang werden kommerzielle PET-Membranen durch Track-Etching von dichten PET-Folien hergestellt. Diese Art von Membranen weist jedoch eine unzureichende Porosität und Permeabilität auf. In dieser Studie wird ein neuer, einfach umzusetzender Ansatz zur Herstellung von PET-Membranen mittels eines NIPS-TIPS-Hybrid-Trennverfahrens unter Verwendung von PET-Lösungen in N-Methyl-2-pyrrolidon bei erhöhter Temperatur (180 °C) vorgestellt. Durch die Anwendung von Wärme konnte PET in ausreichenden Konzentrationen für die Herstellung von Membranen gelöst werden. Durch schnelles Auftragen dieser Lösungen auf ein Substrat oder eine Glasplatte und anschließendes Eintauchen in das Koagulationsbad wurden stabile Membranen hergestellt. Die verschiedenen Herstellungsparameter wurden untersucht, wobei ein weiterer Schwerpunkt auf der Untersuchung der Membranherstellung aus verschiedenen Recyclingquellen lag. 

T. Şener Raman, C. Claus, O. Daikos, T. Scherzer, A. Prager, A. Lotnyk, L. Stieler, R. Konieczny, N. Lippmann, A. Kaiser, R. Werdehausen, B. Abel, A. Schulze 
Tailoring PEGDA/gelatin hydrogels with silver nanoparticles: Mechanical characterization and bacterial inhibition studies 
Int. J. Biol. Macromol. (2026), https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.149996  

Silbernanopartikel (AgNPs) sind vielversprechende antimikrobielle Wirkstoffe zur Bekämpfung bakterieller Infektionen in vitro und in vivo. Diese Studie untersucht die mechanischen Eigenschaften von PEGDA/Gelatin-Hybridhydrogelen, die mit unterschiedlichen Ag-Konzentrationen durch Elektronenstrahlbestrahlung synthetisiert wurden, sowie deren bakterielle Wechselwirkungen auf Einzelzellniveau in Echtzeit und in situ. Eine erhöhte Ag-Konzentration verändert geringfügig die mechanischen Eigenschaften dieser Hydrogele, die so konstruiert sind, dass sie die menschliche Haut nachahmen. Infrarot-Mikrospektroskopie zeigt, dass Silberionen vor der Bestrahlung mit PEGDA und Gelatine interagieren und die Homogenität des Hydrogels beeinflussen. REM-EDX- und TEM-Morphologieanalysen sowie XPS-Oberflächencharakterisierung bestätigten die Verteilung der Ag-Nanopartikel innerhalb der Hydrogelmatrix. Parallel dazu zeigten ihre nanostrukturellen Eigenschaften, dass die Ag-Konzentration die Partikelgrößenverteilung beeinflusste. Bemerkenswert ist, dass Hydrogele, die aus 200 ppm AgNO₃ synthetisierte Nanopartikel enthielten, nach 7 Tagen nur 0,35 ppm Silber freisetzten. Echtzeit-Bildgebung von Escherichia coli zeigt, dass Hydrogele mit Silber-Nanopartikeln die Min-Protein-Oszillation, einen wichtigen Regulator der Zellteilung, stören, wobei bei Hydrogelen, die aus 200 ppm AgNO₃ synthetisiert wurden, innerhalb von 18 Minuten eine bakterizide Wirkung beobachtet wurde. Die antibakterielle Wirksamkeit korreliert mit der Nanopartikel-Konzentration in den Hydrogelen, was durch quantitative und qualitative Analysen bestätigt wurde. Insbesondere wurden die cytotoxischen Wirkungen von Hydrogelen mit unterschiedlichen Ag-Konzentrationen untersucht. Unter diesen zeigte H50 im Vergleich zur Kontrollgruppe einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Zellviabilität. Diese Ergebnisse liefern Einblicke in die bakteriziden Mechanismen von Ag-Nanopartikeln, die durch mechanische und chemische Faktoren beeinflusst werden.  

K.H. Leopold, D. Breite, M. Schmidt, A. Prager, M. Went, M. Kühnert, D. Enke, A. Schulze 
Design of sponge-like PES hollow fiber membranes using the environmentally friendly solvent N,N-dimethyl lactamide 
Sep. Purif. Technol. (2025), https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.132625  

Eine Änderung der Prozessbedingungen für die Herstellung von Hohlfasermembranen kann zu erheblichen Veränderungen der Struktur und Leistung der resultierenden Membran führen. Folglich erfordert die Herstellung von Membranen mit der gewünschten Membranstruktur unter Verwendung neuer, umweltfreundlicher Lösungsmittel eine große Menge an experimentellen Daten. Der Ansatz der statistischen Versuchsplanung (design of experiments – DoE) stellt ein wertvolles Werkzeug für die Entwicklung neuer Membranen mit hoher Leistung bei einer reduzierten Anzahl von Experimenten dar. Darüber hinaus erleichtert er das Verständnis der Korrelation zwischen den Herstellungsparametern und der resultierenden Membranstruktur, Leistung und mechanischen Eigenschaften. Angesichts der Notwendigkeit, die Umweltbelastung durch die Membranherstellung durch den Ersatz herkömmlicher (toxischer) Lösungsmittel zu reduzieren, ist die Entwicklung neuer Membranen unter Verwendung umweltfreundlicherer Lösungsmittel ein entscheidendes Ziel. In dieser Studie wurde der DoE-Ansatz verwendet, um makroporenfreie Hohlfasermembranen unter Verwendung des weniger schädlichen und umweltfreundlicheren Lösungsmittels N,N-Dimethyl-Lactamid zu entwickeln. Es wurden empirische Modelle erstellt, die eine Vorhersage der Membranstruktur und der mechanischen Festigkeit ermöglichen. Infolgedessen ermöglichten die optimalen Einstellungen des DoE die Herstellung einer Ultrafiltrationsmembran, die die gewünschte mechanische Festigkeit (6 MPa), Retention (Cut-off bei 100 kDa), Permeanz (50 LMHB) und homogene Struktur (mindestens 99 % schwammartige Struktur) aufwies.  

S. Glass, M. Schmidt, P. Merten, A. Abdul Latif, K. Fischer, A. Schulze, P. Friederich, V. Filiz 
Design of modified polymer membranes using machine learning 
ACS Applied Materials & Interfaces (2024), https://doi.org/10.1021/acsami.3c18805 

Die Oberflächenmodifizierung ist eine attraktive Strategie zur Anpassung der Eigenschaften von Polymermembranen. Leider sind die vorhersagbaren Beziehungen zwischen Struktur, Verarbeitung und Eigenschaften hinsichtlich der Modifizierungsstrategien und der Membranleistung oft unbekannt. Eine Möglichkeit, diese Herausforderung anzugehen, ist die Anwendung datengesteuerter Methoden wie maschinelles Lernen. In dieser Studie haben wir maschinelle Lernmethoden auf Datensätze angewendet, die die Leistungsparameter modifizierter Membranen enthalten. Die daraus resultierenden maschinellen Lernmodelle wurden verwendet, um Leistungsparameter wie die Reinwasserpermeabilität und das Zetapotenzial von Membranen vorherzusagen, die mit neuen Substanzen modifiziert wurden. Die Vorhersagen wiesen geringe Vorhersagefehler auf, sodass wir sie auf ähnliche Membranmodifikationen und Verarbeitungsbedingungen verallgemeinern konnten. Darüber hinaus konnten mit Hilfe von Methoden des maschinellen Lernens die Auswirkungen von Substanz- und Prozessparametern auf die resultierenden Membraneigenschaften identifiziert werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass kleine Datensätze, wie sie in der Materialwissenschaft üblich sind, als Trainingsdaten für prädiktive Modelle des maschinellen Lernens verwendet werden können. Daher bietet maschinelles Lernen ein großes Potenzial als Werkzeug, um die Entwicklung von Hochleistungsmembranen zu beschleunigen und gleichzeitig den Zeit- und Kostenaufwand für den Entwicklungsprozess zu reduzieren.  

Z. Niavarani, D. Breite, A. Prager, I. Thomas, M. Kuehnert, B. Abel, R. Gläser, A. Schulze 
Synthesis of composite imprinted polymer membranes for the selective removal of 17ß-estradiol from water 
Mater. Chem. Front. (2023), https://doi.org/10.1039/D3QM00345K  

Es wurden Polyethersulfon-Membranen mit molekular geprägten Polymer-Partikeln (molecular imprinted polymers - MIPs) für die effiziente und selektive Adsorption von 17β-Estradiol aus Wasser entwickelt. Die MIP-Partikel wurden mittels Fällungspolymerisation mit 17β-Estradiol als Templatmolekül synthetisiert. Verbundmembranen wurden hergestellt, indem die MIPs mittels Phaseninversionsverfahren in die Membranmatrizen eingebettet wurden. Die MIP-Partikel wurden mittels Elektronenstrahlbestrahlung kovalent in die Membranmatrix immobilisiert. Die synthetisierten Membranen wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Wasserkontaktwinkelanalyse, Permeationstests und Quecksilberporosimetrie charakterisiert. Die Adsorptionsbeladung, Selektivität, Wiederverwendbarkeit und Adsorptionsisothermen wurden durch Batch- und dynamische Adsorptionsversuche untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Adsorptionsbeladung von 17β-Estradiol (12,9 ± 1 mg g⁻¹) und Selektivitätsfaktoren von bis zu 6,2 bzw. 12,5 für 17β-Estradiol in Gegenwart von Modellmikroverunreinigungen (wie Bisphenol A und Citalopram). Darüber hinaus wurden die Verbundmembranen regeneriert und ohne nennenswerten Verlust der Adsorptionsbelastung für 10 aufeinanderfolgende Zyklen wiederverwendet. Die maximale Adsorptionskapazität von 17β-Estradiol auf der Verbundmembran, berechnet durch Anpassung der experimentellen Daten an die Langmuir-Gleichung, betrug 21,9 mg g⁻¹, was einer mehr als 200-fachen Steigerung der Adsorptionsbelastung im Vergleich zur kommerziellen Nanofiltration entspricht. Diese Verbundmikrofiltrationsmembranen weisen eine hohe Adsorptionskapazität bei geringeren Druckanforderungen für die Filtration, hoher Wasserpermeation und verlängerter Wiederverwendbarkeit auf, was sie zu einer praktikablen und nachhaltigen Option für Wasserreinigungsprozesse macht. 

• Herstellung und Entwicklung von Polymermembranen (Mikro- und Ultrafiltration) mit gezielt einstellbaren Eigenschaften und Funktionalitäten mit Hilfe teilautomatisierter Anlagen (Flachfilter- und Hohlfasermembranen) 

• Herstellung von Polymermembranen auf Basis von Recycling-Material 

• Analytik:

  • Permeabilität (dead-end, cross-flow) 

  • Bubble point, MWCO, Siebkurvenanalyse, Hg-Porosimetrie, Porometrie 

  • Kontaktwinkel, Oberflächenenergie 

  • Zetapotential, Oberflächenladungsdichte 

  • Proteinadsorption (BCA Test) 

  • Fouling (Proteine, Algen, Abwasser, Oberflächenwasser,…) 

  • Enzymaktivitäten (diverse Enzyme) 

  • Photokatalytische Aktivität (statische und kontinuierliche Betriebsregime) 

  • Adsorption von Mikroschadstoffen 

  • REM, TEM, AFM 

  • Zugversuch, DMA 

  • TOC, ICP-OES, SPME-GC/MS 

  • IR, Raman, UV/VIS 

  • XPS, XRD, EDX