Investigation of the formation mechanism of homo- and copolymer microgels for a model-based process design of microgels

Ksiazkiewicz, Agnieszka Natalia; Pich, Andrij (Thesis advisor); Richtering, Walter (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Die Prozessanalysetechnologie (PAT) wird in der Pharma- und Biotechnologieindustrie häufig eingesetzt, um die Parameter der Prozesse während der Produktherstellung zu überwachen und zu steuern. Für diese Sektoren ist PAT eine entscheidende Abteilung, um die Qualität des Produkts aufrechtzuerhalten. Es kann inline implementiert werden, wobei die Probe nicht aus dem Prozessstrom entfernt wird. PAT kann jedoch auch zur Überwachung und Steuerung des Reaktionsfortschritts verwendet werden, um mehr über die Produktbildungsmechanismen zu erfahren. In dieser Arbeit wird PAT auf die Synthese von Mikrogelen angewendet - vernetzte polymere Netzwerke, die auf verschiedene Reize reagieren können. Es wird gezeigt, wie die Inline-Analysetechniken das Verständnis von Mikrogelsyntheseprozessen verbessern können. Die Inline-Überwachungstechniken konzentrieren sich auf Reaktionskalorimetrie, Trübung, Messungen der dynamischen Lichtstreuung (DLS) und Raman-Spektroskopie. Darüber hinaus wird diskutiert, wie Computersimulationen die experimentellen Studien an Mikrogelen unterstützen können. Ein kollaborativer Ansatz, der experimentelle Ergebnisse und simulierte Vorhersagen kombiniert, kann dazu beitragen, Mikrogele unterschiedlicher Größe, Form oder Eigenschaften zu erzeugen und ihre Reaktionsmechanismen zu untersuchen. Die Studie konzentriert sich auf temperaturempfindliche Mikrogele auf der Basis von N-Vinylcaprolactam (VCL) - und N-Isopropylacrylamid (NIPAM) -Monomeren oder deren Copolymeren. Die Mikrogelsynthese konzentriert sich auf Batch- und Semi-Batch-Methoden sowie auf Studien darüber, wie der Ansatz der Stickstoffspülung vor Beginn der Polymerisation den Mikrogelbildungsprozess und das Endprodukt beeinflusst. Es werden eingehende Untersuchungen zur Vergrößerung der Mikrogel-Durchmesser sowie zur Erzeugung verschiedener Formen von Mikrogelen diskutiert, die mit hydrophoben Polymeren funktionalisiert sind. Ziel dieser Arbeit ist es, grundlegende Studien zu bekannten temperaturempfindlichen Mikrogelsystemen durchzuführen, um deren Bildungsmechanismen besser zu verstehen. Darüber hinaus besteht die Motivation des Projekts darin, komplexere Mikrogelsysteme für vielseitige Anwendungen und Scale-up-Syntheseverfahren vorhersagen zu können.