Technische Niere - bioinspirierte Membranen für die Wasseraufbereitung

Membranen sind in der lebenden Natur als mikroskopische Zellwand in Organen eine wesentliche Voraussetzung für effizi­ente Stoffwechselfunktionen, die den Stofftransport nicht nur ermöglichen, sondern häufig selbstlernend regeln. Im Projekt »Technische Niere« wollen Fraunhofer IKTS, die Ernst-Abbe- Hochschule Jena (EAH Jena) und das Universitätsklinikum Jena erstmalig diese Prinzipien der Natur nutzen, um neuartige technische Membranen und Membranmodule zu entwickeln, die bezüglich ihres Durchflusses und ihrer Selektivität, ihres Energieverbrauchs und ihrer volumenspezifischen Membran-fläche erheblich besser sind als bereits existierende technische Membranen.

Als Vorbild dient die menschliche Niere, die mit einem Energie­aufwand von 0,8 kWh/m³ und einer volumenspezifischen Membranfläche von 20 000 m²/m³ Blut zunächst filtert, um anschließend Moleküle und Ionen selektiv zurück zu resorbie­ren. Zum Vergleich: Beste Umkehrosmose-Anlagen benötigen eine Energiemenge von 2,0 kWh/m³ bei 1000 m2/m³. Zusätzlich sollen Strömung und Mischung optimiert, Wärmetauscher integriert und mehrere Trennverfahren und Stoffströme in einem Modul kombiniert werden.

Die neuartigen, bioinspirierten, komplexen Membranstrukturen werden mittels additiver Fertigung hergestellt, beschichtet und bezüglich ihrer Trenneigenschaften getestet.

Auf Basis der Membranerfahrungen am Fraunhofer IKTS und dem Know-how der additiven Fertigung an der EAH Jena wur­den erste komplexe Membranstrukturen in Form von Gyroiden gewählt, deren CAD-Modelle erstellt und für die Fertigung vorbereitet (Abb.1). Für die Erprobung Lithographie-basierter (LCM) und thermoplastischer (FLM) additiver Verfahren wurden geeignete Suspensionen aus Al₂O₃-Pulvern und photosensitiven Harzen hergestellt sowie Filamente entwickelt. Bis zu einem Anteil von 65 Ma.-% Al₂O₃ in der Suspension konnten bereits Bauteile realisiert werden. Auch mittels FLM-Verfahren geformte komplexe keramische Trägerstrukturen (Abb. 2) weisen eine gleichmäßige, feine Porenverteilung nach den Sinter- und Beschichtungsprozessen auf (Abb. 3). Größere Bauteile zeigten bisher häufig Risse. Hier bedarf es einer Erhöhung der Grün­dichte und Optimierung des Sinterprozesses.

Ziel im weiteren Projektverlauf sind Membranbeschichtungen, die bezüglich ihrer Porengröße der Mikro-, Ultra- oder Nano-filtration zuzuordnen sind. Ein weiteres Vorhaben ist die Modi­fizierung der Oberflächen, sodass Wechselwirkungen der Oberfläche mit den Wasserinhaltsstoffen eine selektive Tren­nung ermöglichen. So können Wertstoffe und Schadstoffe gezielt abgetrennt und einer weiteren Nutzung bzw. einem chemischen Abbau zugeführt werden.

Das Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF im Rahmen des Thüringer Wasser-Inno­vationsclusters ThWIC.