Dr. Katja Heise: Filtrolution
Polymermembranen können mehr als nur Stoffe trennen! Genau das ist das Motto der BMBF-Nachwuchsgruppe „Filtrolution“. Wir wollen Membranen herstellen, die eine gezielte Trennfunktion mit Reaktivität und Nachhaltigkeit vereinen.
Die meisten Polymermembranen in technischen Anwendungen sind nicht nachhaltig: sie bestehen aus synthetischen, erdölbasierten Komponenten und sind nicht biologisch abbaubar, was vor allem für Einmalanwendungen problematisch ist. Zudem ist ihre Funktion oft auf eine reine Stofftrennung beschränkt, ohne die Membranen aktiv in reaktive Verfahren einzubinden.
Inspiriert von der vielfältigen Funktion biologischer Membranen, ist es das Ziel der BMBF-Nachwuchsgruppe „Filtrolution“, nachhaltige und reaktive Membranen herzustellen. Ausgangspunkt dafür sind biobasierte Polymere, die als Nanopartikel zum Beispiel aus Holz, Baumwolle, Algen oder Pilzen gewonnen werden können. Um aus den nachhaltigen Nanomaterialien Membranen herzustellen, nutzt „Filtrolution“ einen innovativen Ansatz: die Strukturierung der Bionanopartikel in Öl-Wasser-Systemen, sogenannten Emulsionen. Emulsionen begegnen uns im täglichen Leben in Kosmetika oder verschiedenen Nahrungsmitteln, können allerdings auch zur Herstellung von Materialien genutzt werden. Nanopartikel lagern sich in Emulsionen an der Grenze zwischen Öl und Wasser an und stabilisieren die feinen Emulsionströpfchen – es entstehen die sogenannten Pickering-Emulsionen. Diese sind einfach kontrollierbar und ermöglichen eine gezielte Einstellung der Porosität der späteren Membran. Zudem schaffen sie ein selektives Umfeld für chemische Reaktionen in der Wasser- oder Ölphase – ein außerordentliches Potenzial, das bisher kaum ausgeschöpft wurde.
Von winzigen Teilchen zu großen Fortschritten: Wie "Filtrolution" die Industrie effizienter und Medizinprodukte sicherer machen möchte
In „Filtrolution“ sind Bionanopartikel-stabilisierte Emulsionen die Konstruktionsbasis für reaktive Membranen. Reaktive Bestandteile, wie katalytisch wirksame Metallnanopartikel oder Enzyme, werden direkt an die Bionanopartikel in der Emulsion angebunden. Dabei entstehen sogenannte Mikroreaktoren, die im nächsten Schritt zu Reaktivmembranen verarbeitet werden. Dafür sollen verschiedene 2D- und 3D-Verfahren genutzt werden, bei denen die Emulsionen beispielsweise zu Membranfasern versponnen (Elektrospinnen) oder zu 3D-Membranen verdruckt (3D-Druck) werden.
Mit der Verbindung von Trennfunktion und Reaktivität erzielt die BMBF-Nachwuchsgruppe „Filtrolution“ die Integration von Membranen als aktive Komponente in Prozesse. Dies soll in drei Anwendungen demonstriert werden: 1) in der reaktiven Wasserreinigung, 2) in der Synthesechemie und 3) in der Speicherung und Abgabe beispielweise pharmazeutischer Wirkstoffe. So können Reaktivmembranen industrielle Prozesse effizienter gestalten (Punkt 1 und 2) oder Medizinprodukte sicherer machen (Punkt 3). Die Ergebnisse des Projekts sollen einen langfristigen Beitrag zur Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie sowie zur Etablierung von Bioressourcen als komplexe Funktionsmaterialien in der Industrie und im alltäglichen Leben leisten.
Nachwuchsgruppenleiterin Dr. Katja Heise
Bioressourcen, deren Chemie und Materialaspekte, inspirieren die Forschung von Frau Dr. Katja Heise seit ihrem Diplom (2011, TU Dresden). Die studierte Lebensmittelchemikerin promovierte 2017 am Institut für Pflanzen- und Holzchemie der TU Dresden in einer Industriekooperation mit BASF SE. Anschließend forschte sie als Postdoktorandin an der Aalto Universität in Finnland (2017-2023) an der Grenzfläche zwischen Bionanomaterialien und organischer Synthese. Seit Februar 2023 leitet Dr. Katja Heise die „NanoMatFutur“-Nachwuchsgruppe „Filtrolution“ am Institut für Elektronik- und Sensormaterialien (IESM) an der TU Bergakademie Freiberg.