Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTSPositionspapier: Membranen für die Trenntechnik – Anwendungspotenziale für Deutschland
Die Trennung von Stoffgemischen ist eine technische und biologische Grundoperation. Die Natur setzt für die Stofftrennung eine Vielzahl von Membranen ein, wie beispielweise Gefäßwandungen, Zellwände oder Membranproteine. Bei industriellen und technischen Anwendungen dominieren jedoch nach wie vor die klassischen Trennverfahren: Destillation/Rektifikation, Extraktion, Kristallisation oder Ad- bzw. Absorption. Im Vergleich zu diesen Verfahren benötigt die Membrantrennung nur einen Bruchteil der Energie. Mit den jeweils an die Trennaufgabe angepassten Materialeigenschaften sind Membrane eine ideale Lösung für viele Einsatzgebiete. Es lohnt sich, in die Membranentwicklung zu investieren. Dafür sprechen sich DGMT Deutsche Gesellschaft für Membrantechnik e.V., VDI Verein Deutscher Ingenieure e.V. und die ProcessNet-Fachgruppe Membrantechnik der DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., in ihrem aktuellen Positionspapier aus. Hier sind auch die Ergebnisse aus den Untersuchungen der Deutsche Keramischen Gesellschaft (DKG) und Deutsche Gesellschaft für Materialkunde (DGM) mit eingeflossen.
Die aktuellen, globalen Herausforderungen des Klimawandels, der Rohstoffverknappung, Energieversorgung, der Ernährung und der Gesundheitsfürsorge können ohne effiziente Trenntechnik nicht bewältigt werden. Membranen haben dabei das mit Abstand größte Potenzial. Gastrennende Membranen und intelligente, programmierbare, selbstregelnde Membranen stehen noch am Anfang. Neue additive Fertigungsverfahren sowie neue Verfahren der Beschichtung und Funktionalisierung auf atomarem Level werden die Integrationsdichte und somit die Trennleistung weiter erhöhen. Dazu sollen auch Funktionen von Membranen in der lebenden Natur besser verstanden und adaptiert werden.
Vielfältige Einsatzgebiete für die Membrantechnik
Das heute größte Anwendungsgebiet ist die Abwasserreinigung und Trinkwasseraufbereitung. In der chemischen Verfahrenstechnik werden aufwendige thermische Trennungen zunehmend durch Membranen abgelöst. In der Lebensmitteltechnik werden Membranen als schonendes Verfahren zur Sterilisation und Klarfiltration eingesetzt. Innerhalb der Biotechnologie finden Membranen eine breite Anwendung zur Aufreinigung von Biologika, beispielsweise Viren/Vakzinen, monoklonalen Antikörpern, rekombinanten Proteinen und Nukleinsäuren. In der modernen Medizin übernehmen Membranmodule häufig zentrale Funktionen von Organen, z. B. exkretorische Funktionen von Niere und Leber oder den in den Lungen stattfindenden Gasaustausch. In Brennstoffzellen, Batterien und Elektrolyseuren trennen Membranen die Kathoden und Anodenräume. In einem sich verändernden Energiemix hin zur Nutzung regenerativer Energiequellen spielen Membranen eine wichtige Rolle zur Biogasreinigung, Wasserstoffspeicherung („Power-to-Gas“), Herstellung synthetischer Kraftstoffe („Power-to-Chemicals“) und Schließung von Kohlendioxid-Kreisläufen. Die Aufbereitung von Bergbauabwässern dient der Reduzierung von Umweltauswirkungen, der Erfüllung von Umweltauflagen und zunehmend auch der Wertstoffgewinnung.
Es lohnt sich, in die Membranentwicklung zu investieren, so das Fazit der AutorInnen. Neue Membranmaterialien, effiziente Transport- und Trennprinzipien, selbstreinigende und -regenerierende Membranen, fluiddynamisch optimierte Membranmodule, selbstregelnde Membranprozesse, neue Membranherstellungsverfahren, die Kombination von Membrantrennung und anderen Trennverfahren und Membranreaktoren werden in diesem Positionspapier diskutiert. Zudem können Membranen als »Materials-Hub« in der Materialforschung eine breite Wirksamkeit entfalten.