T. Schreiber, M. Schmidt, A. Prager, A. Poidevin, E. Couallier, A. Schulze 
Enzyme-grafted nylon membranes for sequential filtration of Tetraselmis chui extract with enhanced protein recoveryPreparation of flat sheet recycled PET membranes from high temperature solutions via a NIPS-TIPS hybrid separation process 
Sep. Purif. Technol. (2025), https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.133131  

Mikroalgen gelten als vielversprechende und nachhaltige Quelle für wertvolle Biomoleküle wie Proteine. Die Extraktion von Proteinen aus Mikroalgensuspensionen mittels Membrantechnologie ist aufgrund der komplexen Mischung von Biomolekülen nach wie vor durch Fouling und ineffiziente Rückgewinnung eingeschränkt. In dieser Arbeit wurde eine enzymmodifizierte Nylon-Mikrofiltrationsmembran hergestellt, um Proteine aus einem Extrakt der Mikroalge Tetraselmis chui unter Verwendung einer einfachen sequenziellen Filtrationsanordnung effizient zurückzugewinnen. Eine Mischung aus hydrolytischen Enzymen, Trypsin und einer Lipase, wurde erfolgreich mit einem elektronenstrahlbasierten Verfahren auf Flachmembranen aufgepfropft. Es zeigte sich, dass für die Erzeugung einer hohen Lipaseaktivität die gemeinsame Immobilisierung mit Trypsin oder einem anderen Protein vorteilhaft ist. Zur Bestimmung der Effektgröße ausgewählter Parameter für den sequenziellen Filtrationsprozess wurde statistische Versuchsplanung verwendet. Die abgeleiteten empirischen Modelle wurden zur Optimierung verwendet und durch Experimente bestätigt, die zu einer Proteingewinnung im Filtrat von bis zu 1,4 g/l führten, was einen signifikanten Anstieg gegenüber 0,8 g/l mit der kommerziellen Referenzmembran darstellt. Darüber hinaus konnten bis zu 40 % des gesamten Proteingehalts aus der Trockenmasse der Mikroalgen zurückgewonnen werden, verglichen mit 24 % bei der Referenzmembran. Die sequentielle Filtration erwies sich im Vergleich zur Direktfiltration als vorteilhaft, da sie eine Kombination aus enzymatischer Inkubation und Filtration ermöglicht. Verschiedene Charakterisierungsmethoden wurden durchgeführt, die zeigten, dass die Enzym-Pfropfschicht die Verschmutzung reduziert.  

M. Schmidt, A. Prager, N. Schönherr, R. Gläser, A. Schulze 
Reagent-Free Immobilization of Industrial Lipases to Develop Lipolytic Membranes with Self-Cleaning Surfaces 
Membranes (2022), https://doi.org/10.3390/membranes12060599  

Biokatalytische Membranreaktoren kombinieren die hocheffiziente Biotransformationsfähigkeit von Enzymen mit der selektiven Filterleistung von Membranfiltern. Gängige Strategien zur Immobilisierung von Enzymen auf Polymermembranen basieren auf chemischen Kopplungsreaktionen. Diese sind jedoch mit Nachteilen wie langen Reaktionszeiten, hohen Kosten und der Verwendung potenziell toxischer oder gefährlicher Reagenzien verbunden. In dieser Studie wurde eine reagenzienfreie Immobilisierungsmethode auf Basis von Elektronenstrahlbestrahlung untersucht, die eine wesentlich schnellere, sauberere und kostengünstigere Herstellung von Enzymmembranreaktoren ermöglicht. Zwei industrielle Lipaseenzyme wurden auf eine Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Flachfilter-Membran gekoppelt, um selbstreinigende Oberflächen zu erzeugen. Die Response-Surface-Methodik (RSM) im Rahmen des statistischen Versuchsplanung wurde angewendet, um die Auswirkungen von drei numerischen Faktoren auf die Enzymaktivität zu untersuchen, wobei eine maximale Aktivität von 823 ± 118 U m⁻² (Enzymkonzentration: 8,4 g L⁻¹, Imprägnierungszeit: 5 min, Bestrahlungsdosis: 80 kGy) erzielt wurde. Die lipolytischen Membranen wurden in Fouling-Tests mit Olivenöl (1 g L⁻¹ in 2 mM Natriumdodecylsulfat) verwendet, was zu einer 100%igen Regeneration der Filtrationsleistung nach 3 Stunden Selbstreinigung in einem wässrigen Puffer (pH 8, 37 °C) führte. Die Wiederverwendbarkeit in drei aufeinanderfolgenden Zyklen zeigt eine Regeneration von 95 %. Eine umfassende Charakterisierung der Membranen erfolgte durch Bestimmung der enzymatischen kinetischen Parameter, Permeanzüberwachung, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, FTIR-Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Zeta-Potential sowie durch Messungen des Wasserkontaktwinkels.  

Z. Niavarani, D. Breite, B. Ulutaş, A. Prager, Ö. Kantoğlu, B. Abel, R. Gläser, A. Schulze 
Enhanced EDC Removal from Water through Electron Beam-Mediated Adsorber Particle Integration in Microfiltration Membranes 
RSC Advances (2023), https://doi.org/10.1039/D3RA06345C  

Die Präsenz von endokrin wirksamen Chemikalien (EDC) in Wasser und Abwasser gibt Anlass zu erheblichen Umweltbedenken. Herkömmliche Behandlungsverfahren zeigen nur eine begrenzte Fähigkeit zur Entfernung von EDCs. Daher ist der Einsatz fortschrittlicher Trennverfahren unerlässlich, um die Effizienz der EDC-Entfernung zu verbessern. In dieser Arbeit wurden Adsorber-Verbund-Mikrofiltrationsmembranen aus Polyethersulfon mit eingebetteten Divinylbenzol-Polymerpartikeln hergestellt. Diese Membranen wurden für die effektive Entfernung einer Vielzahl von EDCs aus Wasser entwickelt. Die Adsorberpartikel wurden mittels Fällungspolymerisation synthetisiert. Anschließend wurden sie durch einen Phaseninversionsprozess in die Membranmatrix integriert. Zur kovalenten Immobilisierung der Partikel im Membrangerüst wurde Elektronenstrahlbestrahlung angewendet. Es wurden Standardcharakterisierungsverfahren durchgeführt (d. h. Wasserpermeabilität, Kontaktwinkel, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Rasterelektronenmikroskopie), um ein tiefgreifendes Verständnis der Eigenschaften der synthetisierten Membran zu erlangen. Dynamische Adsorptionsversuche zeigten die hervorragende Fähigkeit der synthetisierten Verbundmembranen, EDCs effektiv aus Wasser zu entfernen. Unter den verschiedenen untersuchten Zielmolekülen sticht insbesondere Testosteron mit der bemerkenswertesten Verbesserung hervor und weist eine Adsorptionsbeladung von 220 mg m⁻² auf. Dies ist eine beeindruckende 26-fache Steigerung der Adsorption im Vergleich zur Leistung der ursprünglichen Membran. In ähnlicher Weise zeigte Androst-4-en-3,17-dion eine 18-fache Verbesserung der Adsorptionskapazität im Vergleich zur ursprünglichen Membran. Die Verbundmembranen zeigten auch eine signifikante Adsorptionskapazität für andere wichtige Verbindungen, darunter 17β-Estradiol, Equilin und Bisphenol-A. Durch die Einführung eines effektiven Regenerationsverfahrens konnten die Verbundmembranen über drei aufeinanderfolgende Zyklen hinweg ohne jegliche Verringerung ihrer Adsorptionskapazität für die Adsorption eingesetzt werden.  

T.Ş. Raman, C. Claus, B. Abel, A. Schulze 
Study of the influence of structure-chemical properties of electron beam-polymerized PEGDA/gelatin hybrid hydrogels on the uptake and release dynamics of different photosensitizer molecules 
Biomacromolecules (2025), https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c00982  

Hybrid-Hydrogele sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen Biokompatibilität und mechanischen Stabilität vielversprechend für Wundauflagen, Gewebeengineering und die Verabreichung von Medikamenten. In dieser Studie wurden Hybrid-Hydrogele für die photodynamische Therapie durch Elektronenstrahl-initiierte Polymerisation mit unterschiedlichen PEGDA/Gelatine-Verhältnissen und Bestrahlungsdosen synthetisiert, um ihre Wirksamkeit als Aufnahme- und Freisetzungssysteme für fünf Photosensibilisatoren zu bewerten. Toluidinblau, O (TBO); Methylenblau (MB); Eosin, Y; Indocyanin, grün; und Natrium-meso-tetraphenylporphin-4,4′,4″,4‴-tetrasulfonat wurden hinsichtlich ihrer Aufnahme- und Freisetzungsdynamik in Bezug auf ihre strukturellen Eigenschaften und die Zusammensetzung der Hydrogele untersucht. Die Aufnahme wurde durch das Gelatineverhältnis und die ionischen Eigenschaften beeinflusst, wobei anionische Photosensibilisatoren eine Aufnahme von über 80 % erreichten, während kationische unter 45 % blieben. Erhöhte Bestrahlungsdosen unterstrichen die Rolle von ionischen Wechselwirkungen, Hydrophilie und Oberflächenpolarität. Kationische Photosensibilisatoren produzierten 9- bis 10-mal effizienter Singulett-Sauerstoff. Nichttoxische PEGDA/Gelatine-Hydrogele zeigten eine Photosensibilisator-abhängige Zytotoxizität, wobei TBO und MB mit früheren Ergebnissen übereinstimmten. Diese Ergebnisse bestätigen ihr Potenzial in der photodynamischen Therapie.  

Z. Niavarani, D. Breite, M. Yasir, V. Sedlarik, A. Prager, N. Schönherr, B. Abel, R. Gläser, A. Schulze 
Removal of endocrine disrupting chemicals from water through urethane functionalization of microfiltration membranes via electron beam irradiation 
Front. Environ. Sci. Eng. (2024), https://doi.org/10.1007/s11783-024-1805-6  

Mit Urethan-Funktionsgruppen modifizierte Polyethersulfon (PES)-Membranen wurden durch eine Grenzflächenreaktion unter Verwendung von Elektronenstrahlbestrahlung hergestellt. Die Entfernung von acht endokrin wirksamen Chemikalien (EDCs) wurde sowohl mit unveränderten als auch mit funktionalisierten PES-Membranen untersucht. Die hergestellten Membranen wurden mit verschiedenen Techniken charakterisiert, darunter abgeschwächte Totalreflexion-Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR), Rasterelektronenmikroskopie, Kontaktwinkelanalyse und Messungen des Reinstwasserflusses. Darüber hinaus wurden dynamische Adsorptionsversuche durchgeführt, um den Adsorptionsmechanismus der hergestellten Membran gegenüber den acht EDCs zu bewerten. Die mit Urethan funktionalisierten Membranen waren hydrophil (52° Kontaktwinkel) und behielten während des gesamten Filtrationsprozesses einen hohen Permeatfluss (26000 L/h m² bar) bei. Die Ergebnisse der dynamischen Adsorption zeigten, dass die Einführung von Urethan-Funktionsgruppen auf den Membranen die Entfernungseffizienz von 17β-Estradiol, Östriol, Bisphenol A, Estron, Ethinylestradiol und Equilin deutlich verbesserte. Die Adsorptionsbeladung von 17β-Estradiol auf der funktionalisierten PES-Membran betrug 6,7 ± 0,7 mg/m², was einer 5-fachen Steigerung im Vergleich zur unmodifizierten PES-Membran entspricht. Die Membranen wurden erfolgreich regeneriert und für drei Adsorptionszyklen wiederverwendet, ohne dass es zu einem Verlust der Adsorptionskapazität kam. 

• Modifizierung von porösen Polymermembranen im Bereich Nano-, Ultra-, Mikrofiltration (mit/ohne Vlies) 

• Modifizierung von Hohlfaser- und Flachfiltermembranen 

• 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,…) 

  • Toxizität (Leuchtbakterien) 

  • 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