Schnelle MRI zur Charakterisierung von Filtrationsprozessen

Die Anwendbarkeit von schnellen Magnetic Resonance Imaging (MRI) Methoden zur Untersuchung von Separationsprozessen in Form von Ultrafiltrationen steht im Fokus dieser Dissertation. Hohlfasermembranen werden häufig für Ultrafiltrationen verwendet, wobei Ablagerungen mit zunehmender Filtrationszeit zu einer Effizienzminderung führen. Da Hohlfasermembranen in der Regel von innen nach außen filtriert werden, ist eine Beobachtung der Foulingvorgänge mittels gängiger, meist optischer Methoden nur schwer realisierbar. Durch MRI können die mikroskopischen zu Ablagerungen führenden Mechanismen im Detail charakterisiert werden, was zu einem besseren Verständnis des Filtrationsprozesses beiträgt. Da Filtrationsprozesse zeitabhängig sind, werden schnelle MRI-Messungen benötigt, um detaillierte Einblicke adäquat zeitaufgelöst bei hinreichend guter Bildqualität zu erlangen. Deshalb wurden zunächst Compressed Sensing (CS) MRI-Methoden realisiert und die Optimierung der MRI-Parameter durchgeführt. Die „sparseMRI“ lieferte eine gute Bildqualität bei ausreichend kurzen Messzeiten und gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis und wurde daher zur Untersuchung von Filtrationen verwendet. Dabei wurden sowohl Intensitätsmessungen zur Erfassung der Strukturen als auch MRI-Geschwindigkeitsmessungen zur Charakterisierung von Strömungsfeldern durchgeführt. Als Modellsubstanz für extrazelluläre polymere Substanzen wurde eine wässrige Natriumalginatlösung verwendet, um das Foulingverhalten in keramischen Hohlfasermembranen zu untersuchen. Abhängig von der Konzentration zweiwertig positiver Ionen wie Ca2+ ändern sich die Eigenschaften des in Wasser gelösten Polysaccharids. Das Filtrationsverhalten verändert sich von der Konzentrationspolarisation bei cCa2+ = 0 zu einer Gelschichtbildung bei cCa2+ > 0. Die Ablagerungen im Inneren des Membranlumens wurden mit einer CS-RARE-Pulssequenz gemessen, die Foulingmechanismen mit Modellen der Konzentrationspolarisation und der Gelschichtbildung beschrieben. Die Filtration unter Gelschichtbildung zeigte eine geringere Längenabhängigkeit entlang der Membran im Vergleich zur Filtration von wässrigen Natriumalginatlösungen ohne Ca2+, die durch lose, reversibele Konzentrationspolarisation zu beschreiben sind. Auch in polymere Multikanalmembranen bilden sich Ablagerungen und dadurch bestimmte Geschwindigkeitsverteilungen, die mittels schneller MRI zu messen sind. Es zeigte sich eine nahezu gleichmäßige Verteilung der Ablagerungen in den einzelnen Kanälen von Multikanalmembranen. Auch die Geschwindigkeitsverteilung zeigte nur eine geringe Abweichung zwischen den Kanälen, wobei der innere Kanal etwas schneller durchströmt wurde als die außenliegenden. Rückspülversuche zeigten, dass die Kanäle gleichmäßig gereinigt wurden und auch der innere Kanal von Ablagerungen befreit wurde. Zusätzlich zu Filtrationsvorgängen mit der Modelllösung des Natriumalginats wurde Biofouling über eine Feedlösung einer tryptischen Sojabrühe induziert. Nach einer gewissen Zeit bildet sich durch die umgebenden Mikroorganismen Biomasse, die sich als weiße Flocken in der Feedlösung zeigte. Das Biofouling in den Multikanalmembranen konnte ebenfalls mittels CS-MRI beobachtet werden. Auch die Verteilung der Biomasse innerhalb der Kanäle wurde analysiert. Die Biomasseablagerungen zeigten ein reversibles Verhalten nach dem Stoppen des Filtrationsprozesses und der Entspannung des Filtrationsdruckes. Zusammenfassend eignen sich CS-MRI-Methoden hervorragend, um Ultrafiltrationsprozesse mit einer hohen zeitlichen und örtlichen Auflösung zu messen und qualitativ und quantitativ zu analysieren. Filtrationsmechanismen und Foulingverhalten wurden mikroskopisch untersucht und mit makroskopischen Filtrationsparametern verglichen. CS-MRI ist eine vielversprechende Methode, die sich auch zur Beantwortung vieler anderer verfahrenstechnischer Fragestellungen bei z. B. Sedimentations- und Mischvorgängen anwenden lässt und eine detailliertere orts- und zeitaufgelöste Charakterisierung dieser Prozesse ermöglicht

Chemical Thermal Runaway Modeling of Lithium‐Ion Batteries for Prediction of Heat and Gas Generation

Along with the increased usage of lithium-ion batteries and their development in energy densities, safety issues arise that have to be investigated. The most serious battery safety event is called thermal runaway. Herein, a chemical thermal runaway model with ten decomposition reactions is developed. It is coupled with thermal simulations in order to predict temperature curves as well as amount and composition of released gases during thermal runaway. Simulations are validated by thermal abuse experiments in an autoclave. Detailed temperature measurements and gas analysis are included. Simulations and experimental results prove to be in good agreement. The model is further applied to investigate thermal runaway behavior of cells with different energy densities

Magnetic resonance imaging as a tool for quality control in extrusion-based bioprinting

Bioprinting is gaining importance for the manufacturing of tailor-made hydrogel scaffolds in tissue engineering, pharmaceutical research and cell therapy. However, structure fidelity and geometric deviations of printed objects heavily influence mass transport and process reproducibility. Fast, three-dimensional and nondestructive quality control methods will be decisive for the approval in larger studies or industry. Magnetic resonance imaging (MRI) meets these requirements for characterizing heterogeneous soft materials with different properties. Complementary to the idea of decentralized 3D printing, magnetic resonance tomography is common in medicine, and image data processing tools can be transferred system-independently. In this study, a MRI measurement and image analysis protocol was evaluated to jointly assess the reproducibility of three different hydrogels and a reference material. Critical parameters for object quality, namely porosity, hole areas and deviations along the height of the scaffolds are discussed. Geometric deviations could be correlated to specific process parameters, anomalies of the ink or changes of ambient conditions. This strategy allows the systematic investigation of complex 3D objects as well as an implementation as a process control tool. Combined with the monitoring of metadata this approach might pave the way for future industrial applications of 3D printing in the field of biopharmaceutics

In‐situ characterization of deposits in ceramic hollow fiber membranes by compressed sensing RARE‐MRI

Ultrafiltration with ceramic hollow fiber membranes was investigated by compressed sensing rapid acquisition relaxation enhancement (CS-RARE) magnetic resonance imaging (MRI) to characterize filtration mechanisms. Sodium alginate was used as a model substance for extracellular polymeric substances. Dependent on the concentration of divalent ions like Ca21 in an aqueous alginate solution, the characteristics of the filtration change from concentration polarization to a gel layer. The fouling inside the membrane lumen could be measured by MRI with a CS-RARE pulse sequence. Contrast agents have been used to get an appropriate contrast between deposit and feed. The lumen was analyzed quantitatively by exploring the membrane’s radial symmetry, and the resulting intensity could be modeled. Thus, different fouling mechanisms could be distinguished. CS-RARE-MRI was proven to be an appropriate in situ tool to quantitatively characterize the deposit formation during in-out filtration processes. The results were underlined by flux interruption experiments and length dependent studies, which make it possible to differentiate between gel layer or cake filtration and concentration polarization filtration processes

In situ visualization of flow and fouling layer formation in ceramic hollow fiber membranes by magnetic resonance imaging (MRI)

Within membrane processes, fouling is one of the critical issues affecting the productivity, plant operation and maintenance costs. Focusing on wastewater treatment processes, it has been reported that extracellular polymeric substances (EPS) are one of the main causes of membrane fouling. In membrane filtration research, sodium alginate often serves as a model compound for EPS. Sodium alginate is a hydrophilic unbranched binary copolymer. In the presence of divalent cations, e.g. Ca2+, alginates form complexes, which lead to a significant change in filtration mechanisms in dead-end filtration and also to a change in filtration performance during cross-flow filtration experiments. Filtration conditions (e.g. transmembrane pressure or cross flow velocity), feed composition as well as membrane material have a major influence on the fouling behavior of the system. In this study ceramic hollow fiber membranes were used due to their high chemical and thermal stability coupled with a high specific membrane surface. In addition to the evaluation of the filtration data using conventional cake filtration model, nuclear magnetic resonance imaging was used to elucidate the influence of Ca2+ on the fouling layer structure for alginate filtration with ceramic hollow fiber membranes. In order to visualize the alginate layers inside the opaque ceramic hollow fiber membranes by means of MRI, specific contrast agents were applied. Supplementary to multi slice multi echo imaging, flow velocity measurements were performed to gain more insight into the hydrodynamics in the fouled membranes. MRI reveals the structure of the alginate layers and confirms the assumption obtained from the evaluation of filtration data, that the addition of Ca2+ is leading to the formation of an alginate gel layer on the membrane, whereas in the absence of Ca2+, the structure of the alginate layer is rather of concentration polarization manner, hence more fluid and hydrodynamically better controllable