Umweltschonende Membranfilter: Entwicklung einer bio-katalytisch aktiven Polymermembran zur Vermeidung chemischer Reinigungsschritte

Stipendiatin/Stipendiat: Martin Schmidt

Die Membrantechnik ist eine moderne Technologie mit einer Vielzahl an aktuellen und zukünftigen Einsatzmöglichkeiten. Zu den zahlreichen Anwendungsfeldern gehören unter anderem die Trinkwasseraufbereitung und die Abwasserbehandlung. Aber auch in der Medizin (z. B. Hämodialyse), sowie in der biotechnologischen, der pharmazeutischen und der Lebensmittelindustrie kommen Membranen zum Einsatz. Ein enormes Problem in allen Bereichen ist das sogenannte Membran-Fouling: Das unerwünschte Verstopfen der Porenstruktur mit organischen und anorganischen Substanzen, Biomolekülen oder sogar Mikroorganismen.

Die erforderliche Reinigung einer gefoulten Membran ist verbunden mit dem Einsatz sowie der Entsorgung aggressiver und umweltschädlicher Chemikalien, sowie einem erheblichen Kosten- und Arbeitsaufwand hinsichtlich Prozessführung und Arbeitsschutz. Mit der Zeit führen diese meist oxidativen Reinigungen zudem zu einer Abnutzung des Materials, zu einer Verkürzung der Lebenszeit der Membran und dadurch zu einem erheblichen Ressourcenverbrauch. Zahlreiche Ansätze wurden in der Literatur beschrieben, um dem Fouling-Problem entgegenzutreten: Von Änderungen der Operationsbedingungen, über die Entwicklung neuer Reinigungsmethoden, bis hin zur chemischen Modifizierung des Polymermaterials ist eine umfangreiche Forschungslandschaft entstanden. Die Nachteile der meisten Modifikationen liegen jedoch in der Verwendung toxischer oder umweltschädlicher Chemikalien und Lösungsmittel, der Durchführung mehrstufiger Reaktionen sowie in generellen Stabilitätsproblemen.

Das Ziel meiner Promotion ist die Entwicklung biokatalytisch aktiver Membranen auf Polymerbasis. Durch Immobilisierung von Enzymen auf der Membranoberfläche, hier im Speziellen aus den Klassen der Hydrolasen und Oxidoreduktasen, sollen diese Systeme in der Lage sein, unerwünscht adsorbierte Stoffe enzymatisch abzubauen und somit eine selbstreinigende Oberfläche zu generieren. Das Forschungsthema stellt damit eine Kombination aus einem bewährten Ansatz der passiven Fouling-Reduktion durch Modifizierung der Membranoberfläche und einem innovativen Ansatz zum aktiven Abbau gefoulter Substanzen dar. Der Einsatz von Enzymen als bewährte "grüne" Strategie vereint dabei eine effiziente Reinigung und katalytische Wiederverwendbarkeit mit den grundlegenden Bedürfnissen des Umweltschutzes: Der Schonung von Ressourcen, Chemikalien und Energie sowie einer nachhaltigen und umweltverträglichen Erzeugung und Entsorgung.

Im Rahmen dieser Promotion wird ein Verfahren angestrebt, welches Elektronenstrahlung nutzt, um stabile, kovalente Bindungen zwischen Enzym und Polymer auszubilden. Diese Methode bedarf dabei lediglich der Polymermembran sowie dem Enzym in wässriger Lösung und verzichtet somit vollständig auf den Einsatz potentiell toxischer, umweltschädlicher Chemikalien. Die Grundlagen für die technische Umsetzung wurden am Forschungsstandort (Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, IOM, Leipzig) in der Arbeitsgruppe von Frau Dr. Agnes Schulze maßgeblich entwickelt und in zahlreichen Projekten erfolgreich eingesetzt.

Die biokatalytisch aktiven, selbstreinigenden Membranen werden am IOM entwickelt sowie getestet und in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen des Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ, Leipzig) sowie den Arbeitsgruppen um Dr. Wolfang Knolle (IOM) und Dr. Lutz Prager (IOM) umfangreich charakterisiert und modifiziert. Das Forschungsthema ist von hoher Aktualität sowie Relevanz und zeichnet sich durch seine große Interdisziplinarität zwischen Materialwissenschaften, nachhaltiger Chemie und Biowissenschaften aus.

Förderzeitraum:
01.07.2018 - 30.06.2021

Institut:
Universität Leipzig
Fakultät für Chemie und Mineralogie
Institut für Technische Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Roger Gläser

E-Mail: E-Mail schreiben