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Downstream processing in the manufacturing biopharmaceutical industry is a multistep process separating the desired product from process- and product-related impurities. However, removing product-related impurities, such as product variants, without compromising the product yield or prolonging the process time due to extensive quality control analytics, remains a major challenge. Here, we show how mechanistic model-based monitoring, based on analytical quality control data, can predict product variants by modeling their chromatographic separation during product polishing with reversed phase chromatography. The system was described by a kinetic dispersive model with a modified Langmuir isotherm. Solely quality control analytical data on product and product variant concentrations were used to calibrate the model. This model-based monitoring approach was developed for an insulin purification process. Industrial materials were used in the separation of insulin and two insulin variants, one eluting at the product peak front and one eluting at the product peak tail. The model, fitted to analytical data, used one component to simulate each protein, or two components when a peak displayed a shoulder. This monitoring approach allowed the prediction of the elution patterns of insulin and both insulin variants. The results indicate the potential of using model-based monitoring in downstream polishing at industrial scale to take pooling decisions., Funding Agencies|Horizon 2020 Framework Program [643056]; European Unions Horizon 2020 [643056]

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen MEMS Vakuumsensor, dessen Funktionsprinzip auf der druckabhängigen Squeezedämpfung in engen Spalten und der ebenfalls druckabhängigen Molekulardämpfung beruht. Nach einer kurzen geschichtlichen Einführung in die Vakuummeßtechnik und der technischen Klassifikation des MEMS-Sensors wird ein Modell zur mathematischen Beschreibung des Sensors hergeleitet. Methoden unterschiedlicher Autoren zur Berechnung der druckabhängigen Squeeze- und Molekulardämpfung werden diskutiert und mit eigenen Meßwerten verglichen. Anhand der Ergebnisse wird ein Modell zur Berechnung der druckabhängigen Dämpfung des Sensors aufgestellt. Neben der direkten elektrischen Kontaktierung zur Energieversorgung des Sensors werden Möglichkeiten einer indirekten induktiven und kapazitiven Energieübertragung ins Vakuum untersucht und die theoretischen sowie meßtechnischen Ergebnisse diskutiert. Eine Auswahl von Methoden zur Detektion der Sensorbewegung wird vorgestellt und deren Eignung für den Sensorbetrieb theoretisch und praktisch überprüft. Zur Bestimmung der druckabhängigen Dämpfung des Sensors gibt es unterschiedliche Verfahren, die beschrieben und bezüglich ihrer Anwendbarkeit bewertet werden. An gefertigten Sensoren wurden umfangreiche Messungen durchgeführt, um das reale Verhalten der Sensoren zu beschreiben und mit dem rechnerisch ermittelten zu vergleichen. Hierbei werden verschiedene Aspekte wie u. a. Meßbereich, Gasartabhängigkeit, Einsatztemperatur sowie Meß- und Wiederholgenauigkeit berücksichtigt. Die Arbeit wird mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse und einem Ausblick auf weitere Verbesserungsmöglichkeiten des Sensors abgeschlossen.

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von ausschließlich elektrostatisch arbeitenden Sensor-Aktor-Arrays zur Oberflächenprofilbestimmung an Mikroteilen beschrieben. Ein wesentliches Merkmal der Strukturen ist ihr großer Eigenzustellbereich von bis zu 20 Mikrometer. Die Auswertung atomarer Kräfte ermöglicht Wegauflösungen im Nanometerbereich. Auf Grund der geringen Abmessungen durch die mikromechanische Fertigung des Sensorelements und der integrierten Sensor-Aktorfunktion sind Anordnungen als Zeilenarray möglich. Die Entwicklung richtet sich auf Strukturen, welche in klassischer Oberflächentechnologie gefertigt werden können. Durchgeführte experimentelle Tests wurden mit Sensoren in Silizium-bulk-Mikromechanik (SCREAM) realisiert. Der Schwerpunkt der Arbeit behandelt die Charakterisierung der Sensorelemente und damit verbundene Layoutverbesserungen, wie das Einbringen von Feldstoppern und die Nutzbarkeit des Sensors zur Profilbestimmung von Oberflächen unter Beachtung industrieller Anforderungen. Vorteile des Einsatzes eines solchen Sensor-Aktor-Arrays liegen in der Miniaturisierung und dem vergleichsweise großen Eigenzustellbereich jedes einzelnen Sensors. Dadurch ist es möglich, technische Oberflächen, welche im Eigenzustellbereich des Sensorarrays liegen, ohne das Nachregeln einer übergeordneten Positioniereinheit im Profil zu bestimmen. Es wird gezeigt, wie die angewandte kapazitive Wirkungsweise des Sensors mit den sehr kleinen Nutzkapazitäten im Beisein von großen Parasitärkapazitäten zur Signalauswertung genutzt werden kann.

To measure the speed of a vehicle, the revolution of a wheel or a rigid axle is traditionally used. Therefore non corrigible systematic errors occur which are caused by slip, spin and by the change of wheel diameter due to fretting. Train control and traction systems require new robust as well as precise methods of speed measurement. Because of their physical properties, Doppler-radar-sensors attached to the vehicle and measuring ground speed are first choice for this range of applications. Currently used sensors cannot fulfil the high demands under all operating conditions, because they are unable to completely compensate the various interferences and systematic deviations. This is the starting point of this dissertation. Two independent diverse methods with optimised reliability and accuracy must be used to meet all requirements. Limited resources of the embedded digital signal processor system under real-time conditions have to be taken into account. According to the boundary conditions, the introductory chapters critically discuss the frequency analysis methods currently used and describe starting points for further development. This leads to the design of a new, robust, wide-band spectral analysis which combines techniques of the dyadic wavelet transformation with the fast Fourier transformation. At the same time a new frame procedure and general model for the estimation of motion parameters is developed which features short delays. The disadvantages of the block-based discrete spectral analysis applied over continuous approaches are extensively compensated. The block structure of spectral data enables the selective use of new knowledge-based spectral filters for the compensation of the remaining intense interferences which are typical of this kind of application., Die Fahrzeuggeschwindigkeitsmessung über die Drehzahl eines Rades weist in Schlupf- und Schleuderzuständen erhebliche systematische Abweichungen auf. Deshalb erfordern Zugbeeinflussungs- und Antriebssysteme neue gleichzeitig robuste und präzise Geschwindigkeitsmessmethoden. Die Mikrowellensensorik unter Nutzung des Dopplereffekts zwischen Fahrzeug und Gleisbett wird wegen ihrer physikalischen Eigenschaften für dieses Einsatzgebiet favorisiert. Bisherige Sensorapplikationen erfüllen aber die hohen Ansprüche nicht in allen Betriebszuständen. Hier setzt die in dieser Arbeit beschriebene Sensorentwicklung auf. Zwei getrennt hergeleitete und nach Zuverlässigkeit und Genauigkeit optimierte neue Verfahren können bei gleichzeitiger Anwendung die gestellten Anforderungen erfüllen. Dabei müssen auch die beschränkten Ressourcen des eingebetteten digitalen Signalverarbeitungssystems unter Echtzeitbedingungen berücksichtigt werden. Entsprechend dieser Randbedingungen findet einleitend eine kritische Betrachtung bestehender Frequenzanalysemethoden statt und Ansätze für die Weiterentwicklung werden herausgearbeitet. Einerseits führt dies zur Konstruktion einer neuen störunempfindlichen Weitbereichsspektralzerlegung, welche Ansätze der dyadischen Wavelettransformation mit der Diskreten Fourier-Transformation verbindet. Andererseits wird ein neues Rahmenverfahren für die verzögerungsarme Schätzung der Bewegungsparameter des Fahrzeuges aufgrund seines physikalischen Bewegungsmodells hergeleitet und mit einem hochgenauen Frequenzauswerteverfahren kombiniert. Beide Verfahren basieren auf blockweisen diskreten Spektralzerlegungen, deren prinzipielle Nachteile gegenüber kontinuierlichen Ansätzen weitgehend kompensiert werden können. Durch die Blockorganisation lassen sich neuartige wissensbasierte Spektralfilter selektiv zur Unterdrückung starker bahnanwendungstypischer Störeinflüsse einsetzen.

In der vorliegenden Arbeit wurden Messtechniken zur Charakterisierung organischer Flüssigkeiten geringer Leitfähigkeit mittels Impedanzspektroskopie erprobt. Es wurden verschiedene kapazitive Elektrodenanordnungen mit dem zu untersuchenden Öl als Dielektrikum entwickelt und auf ihre Eignung zur Impedanzmessung an Schmierölen untersucht. Ausgehend von der empirischen Erfahrung, dass die Impedanzwerte in Ölen stark temperaturabhängig sind, wurde in Anlehnung an die Arrheniussche Theorie der chemischen Reaktionskinetik ein Auswerteverfahren für impedanzspektroskopische Messdaten entwickelt und getestet. So wurden die Voraussetzungen dafür geschaffen, dass für einen, in einem bestimmten Frequenzbereich relevanten Leitungsprozess, der zugehörige, auf molekularer Ebene ablaufende Vorgang mit bekannter Aktivierungsenergie angegeben werden kann.

Basic resonator structures for frequency-selective capacitive vibration sensors which exploit their mechanical resonance peak for spectral selectivity are developed and analyzed. As an important capability, the stuctures offer voltage-controlled frequency tuning realized by electrostatic principles. Direct electrostatic tuning based on displacement-dependent electrostatic forces as well as tuning by stress-stiffening based on constant electrostatic forces are discussed. The sensor structures are designed for fabrication using common silicon surface microtechnologies. Experimental tests of both mentioned tuning principles are carried out at structures fabricated using a surface technology known as SCREAM. A considerable part of the work focusses on nonlinear oscillations of the mechanical resonator at large amplitudes arising in resonance. Dimensioning rules for minimum nonlinear disturbance are derived from a detailed analysis of the Duffing oscillator. Various capacitive principles for signal detection and electrostatic frequency tuning are evaluated in terms of nonlinearity. A novel type of specially shaped electrode systems offering linear properties within an amplitude range of 10 micrometers, so-called curved comb capacitors, is developed for fabrication in SCREAM technology., In der vorliegenden Arbeit werden Grundstrukturen frequenzselektiver kapazitiver Vibrationssensoren entwickelt und analysiert, deren spektrale Selektionswirkung durch Ausnutzung ihrer mechanischen Resonanzüberhöhung entsteht. Wesentliches Merkmal der Strukturen ist ihre spannungsgesteuerte Abstimmbarkeit, die auf elektrostatischen Prinzipien beruht. Es werden die direkte elektrostatische Frequenzabstimmung, basierend auf positionsabhängigen Feldkräften, sowie das Prinzip des Stress-Stiffening, basierend auf einer konstanten elektrostatischen Kraft, diskutiert. Die Entwicklung konzentriert sich auf Sensorstrukturen, die in klassischen Oberflächentechnologien gefertigt werden können. Experimentelle Tests der beiden genannten Abstimmprinzipien werden anhand von Strukturen in oberflächennaher Silizium-bulk-Mikromechanik (SCREAM) durchgeführt. Schwerpunkt der Arbeit sind nichtlineare Schwingungen der mechanischen Resonatorkomponente bei großen Amplituden, die durch die Resonanzüberhöhung entstehen. Für den Sonderfall des Duffing-Schwingers werden Dimensionierungsregeln zur Minimierung der Nichtlinearitäten entwickelt. Kapazitive Prinzipien zur Detektion bzw. elektrostatischen Abstimmung werden hinsichtlich ihrer Linearität geprüft. Es werden neuartige Elektrodensysteme für die SCREAM-Technologie, sogenannte Kurvenkammsysteme entwickelt, die bei Schwingamplituden bis zu 10 Mikrometer linear arbeiten.

This work deals with the sensor application of polythiophenes, which belong to the group of the conducting polymers. The first part focuses on sensor application of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) for ion detection in aqueous electrolytes. The advanced electrochemical quartz crystal microbalance was used for investigating the electrochemical polymerisation and the redox cycling behaviour of the polymer films deposited on the liquid facing electrode of the quartz. This method is based on impedance analysis of a piezoelectric quartz crystal. The deposited polymer mass and surface roughness parameters were estimated from the electrical impedance shift of the quartz during the polymerisation using a new calculation procedure for rough and viscoelastic films. The PEDOT data were compared with results from the electrochemical polymerisation of 2,2?-bithiophene to demonstrate the influence of the substituent on morphology and electrochemical properties in organic electrolytes. With regard to electrogravimetric sensor applications the ion exchange of the polymer in aqueous electrolytes (LiClO4, NaClO4, NaNO3, and sodium toluenesulfonate) during redox cycling was investigated. From the mass/charge balance the apparent exchanged molar mass and the absolute exchanged mass of ions were calculated. The mass balance indicated a transfer of anions and solvent during oxidation. No remarkable cation exchange in the reduction scan was observed. For all investigated electrolytes the calculated exchanged molar mass can be explained with a reversible replacement of solvent by anions during oxidation. The molar solvent/anion ratio was roughly proportional to the sizes of the species. The second part of the work describes investigations on gas sensing properties of polythiophene films prepared by a new preparation method. This two-step procedure is based on electroless polymerisation of conducting polymers. In the first step the substrate is coated with an adhesion promoter and i, Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Polythiophenen, einer Gruppe der intrinsisch leitfähigen Polymere, für die Anwendung als sensitive Filme in chemischen Sensoren. Ziel war es dabei, ausgewählte Aspekte des Sensoreinsatzes dieser Polymere zu beleuchten, um Wege zu einer verbesserten Sensorcharakteristik solcher Systeme aufzuzeigen. Der erste Teil der Ergebnisse konzentriert sich auf den Einsatz von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) in Sensoren für die Bestimmung von Ionenkonzentrationen in wässrigen Medien. Die elektrochemische Polymerisation auf Schwingquarzen und der potentialinduzierte Ionenaustausch an solchen Polymerfilmen wurden mit Hilfe der elektrochemischen Quarzmikrowaage charakterisiert. Diese beruht auf der Impedanzanalyse von Schwingquarzen in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz, was neben der Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz der Quarze auch die Untersuchung des Dämpfungsverhaltens und somit eine halbquantitative Analyse der mechanischen Eigenschaften des Polymerfilmes ermöglicht. Aus den Daten Impedanzanalyse während der Polymerisation wurden mit einem neuen Berechnungsmodells, das viskoelastische und rauhigkeitsinduzierte Einflüsse berücksichtigt, die Polymermasse und vertikale und laterale Rauhigkeitsparameter bestimmt. Der Einfluss des Substituenten auf die Morphologie und das elektrochemische Verhalten in organischen Elektrolyten ist durch Vergleichsuntersuchungen an Poly(2,2?-bithiophen) illustriert. Die Sensormessungen erfolgten in wässrigen Modellelektrolyten mit unterschiedlich großen Anionen (LiClO4, NaClO4, NaNO3, Natriumtoluolsulfonat). Für die potentialabhängige Ionenaustauschreaktion konnte ein Einbau von Anionen bei der Oxidation des Polymers, der mit einem Ausstoß von Lösungsmittel verbunden war, nachgewiesen werden. Bei Reduktion des Polymers war der umgekehrte Vorgang zu beobachten. Kationen waren nicht nachweislich an den Austauschprozessen beteiligt. Als Sensorsignal wurde aus der bei Einbau der Ionen geflossenen La

Die Arbeit behandelt die Entwicklung von hybrid integrierten, mikromechanischen Ultraschallwandler-Arrays auf der Basis von Polyvinylidenfluorid (PVDF). Diese breitbandigen Wandlerarrays gestatten durch eine entsprechende Dimensionierung und elektronische Ansteuerung eine gerichtete steuerbare Schallabstrahlung in Flüssigkeiten, die beispielsweise in der Strömungsmessung Verwendung finden kann. Nach theoretischen Betrachtungen zu piezoelektrischen Einzel- und Mehrelementwandlern werden der Aufbau und die Präparation der Wandlerarrays vorgestellt. Eine umfassende Charakterisierung wird anhand von akustischen und laseroptischen Messungen vorgenommen. Dabei wird besonderer Wert auf die Klärung von elektrischen und mechanischen Wechselwirkungen im Inneren der Wandler gelegt, um Erscheinungen wie Kopplungen zwischen Einzelelementen und Notwendigkeit sowie Einflüsse einer Passivierungsschicht zu erklären. Es werden Methoden und Ergebnisse der Simulation derartiger Wandlerarrays vorgestellt. Abschließend werden die Vorteile des Einsatzes solcher Arrays am Beispiel der akustischen Durchflußmessung aufgezeigt.