Entwicklung von bio-katalytischen Hohlfasermembranen unter Zuhilfenahme von umweltschonenden Lösungsmitteln zur Aufreinigung von Öl-haltigen Abwässern

Bei der Membrantechnologie handelt es sich um eine energieeffiziente Methode, die ein breites Anwendungsgebiet in verschiedenen Industriezweigen hat (bspw. Aufreinigung von Abwässern, Hämodialyse, Meerwasserentsalzung). Ein großes Problem in der Anwendung von Membranen ist das so genannte Fouling. Hierbei handelt es sich um die ungewollte Adsorption bzw. Deposition von organischen und anorganischen Substanzen, Biomolekülen und Mikroorganismen auf der Oberfläche oder im Inneren der Membranstruktur. Dies führt zu einem Verstopfen der Porenstruktur und zu einer Abnahme der Permeabilität. Für eine daraus resultierende, notwendige Reinigung muss die Membran mit Rückspülschritten und teils aggressiven chemischen Methoden regeneriert werden. Diese Reinigungen führen jedoch zu einer Schädigung des Polymermaterials was in einer Verkürzung der Membranlebenszeit resultiert und dadurch zu einem erheblichen Ressourcenaufwand durch bspw. den Austausch der Membran.

Es wurden Methoden entwickelt, die durch eine Anpassung der Operationsbedingungen oder durch schonendere Reinigungsmethoden die Membranlebenszeit erhöhen sollen. Eine der vielversprechendsten Methoden, um das Fouling von Polymermembranen zu verringern, besteht in einer Modifizierung des Membranmaterials, um dessen Hydrophilie zu erhöhen oder sie mit katalytischen Eigenschaften zu versehen, welche dem Fouling entgegenwirken. Nachteil vieler Modifizierungsmethoden ist dabei jedoch die Verwendung von toxischen oder umweltschädlichen Chemikalien und Lösungsmitteln, die Durchführung von mehrstufigen Reaktionen und generelle Probleme mit der Stabilität der Modifizierung.

Das Ziel des angestrebten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von biokatalytisch aktiven Hohlfasermembran. Diese polymerbasierten Fasern sollen im Gegensatz zu herkömmlichen Membranen mit umweltschonenden Lösungsmitteln hergestellt werden. Mit Hilfe der Phasenseparation bzw. Nonsolvent-induced phase separation (NIPS) sollen ein- bzw. zweischichtige Hohlfasermembranen hergestellt werden. Dabei sollen möglichst leistungsstarke und applikationsnahe Membranen bei gleichzeitiger Schonung von Energie und Ressourcen entwickelt werden. Die Vorteile von ein- (apparativ leichter zugänglich) bzw. zweischichtigen (mechanisch und chemisch hierarchisch strukturiert für verbesserte Filtrationsleistung) Hohlfasern werden dabei verglichen und evaluiert. Durch eine Immobilisierung von industriell optimierten Enzymen (bspw. Lipasen, kommerziell zugänglich) auf der inneren Membranoberfläche und innerhalb der Membranstruktur sollen beide Membranarten in der Lage sein, Fouling in Form von Ölhaltigen Ablagerungen abzubauen. Je nach Enzym können diese dauerhaft aktiv sein oder durch eine gezielte Aktivierung ein selbstreinigender Effekt der Membran ausgelöst werden. Diese gezielte Aktivierung erfolgt durch eine Änderung der Umgebungsbedingung bspw. durch eine Änderung des Puffermediums, des pH-Wertes oder der Temperatur. Um eine Immobilisierung der Enzyme auf der Membran zu erreichen, soll in dieser Forschungsarbeit eine auf Elektronenstrahlung basierende Methode genutzt werden, welche am Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) etabliert wurde und welche zu einer kovalenten und somit stabilen Anbindung der Enzyme an das Polymer führt.