Mikroplastik filtern wie ein Riesenmanta

Sich die Natur als Vorbild zu nehmen, um konkrete Probleme in der Wissenschaft zu lösen, ist nicht neu. So wurde der Klettverschluss dank der Klettpflanze und der Lotus-Effekt dank der selbstreinigenden Lotuspflanze entwickelt. Es lohnt sich somit, mit offenen Augen durch die Natur zu gehen! Dies taten Forschende auch unter der Meeresoberfläche – und stießen auf den Riesenmanta. Dies taten Forschende auch unter der Meeresoberfläche – und stießen auf den Riesenmanta. Seine Kiemen sollen bei der Filterung von Mikropartikeln helfen. K-Mag sprach mit Tim Robertino Baumann, der sich in seiner Promotionsarbeit mit diesem spannenden Thema befasst.

Herr Baumann, Sie haben ein Filtersystem (weiter-)entwickelt, das auf einem Konzept beruht, das von Riesenmantas inspiriert ist und welches Mikroplastik effektiv filtern soll. Was genau macht dieses Prinzip so effektiv, und wie haben Sie es für die Mikroplastikfiltertechnologie adaptiert?

Tim Robertino Baumann: Der Ernährungsmechanismus der Rochen beruht auf der Querstromfiltration an den Kiemenreusen. Im Vergleich zu den sogenannten Kuchenfiltrationen, bekannt vom Kaffeesatz im Kaffeefilter, bilden sich keine Rückstände oder Verstopfungen. Es ist außerdem ein rein passiver Prozess, der allein durch die Bewegung der Rochen im Wasser stattfindet. Je schneller die Bewegung, desto besser in der Regel die Filtration. Um den Mechanismus für die Mikroplastikfiltration anzupassen, ist eigentlich nicht viel zu tun. Wichtig ist, dass die Dimensionen des Filters zu der Größenordnung der Partikel passen.

Inwiefern unterscheidet sich Ihr System von den bereits etablierten Mikroplastikfiltern?

Baumann: Die Art und Weise der Filtration macht den Mechanismus effektiv. Die Filter besitzen keine mechanischen Verschleißteile, sind inert gegenüber Verstopfungen (außer gegen Partikel die Größer sind als der Kanal) und werden effizienter, je höher der Durchsatz ist. Im Vergleich zu anderen mikrofluidischen Systemen bietet unser Filtrationssystem den Vorteil, dass es komplett passiv funktioniert und einen großen Durchsatz von 20ml/min bietet. Innovativ ist der Filter vor allem dadurch, dass er lediglich 60µm hoch und an den breitesten Stellen 200µm weit ist. Damit besitzt der Filter ein Volumen von gerade einmal 0,2µl. In einer Kartusche von einem Liter finden je nach Anordnung 400 oder mehr einzelne Filter Platz, was einer Durchflussmenge von bis zu 8 l/min entspricht.

Sie haben beschrieben, dass die ersten Monate der Forschung besonders herausfordernd waren. Was waren die größten Hürden, und wie haben Sie sie überwunden?

Baumann: Die größte Hürde war das Arbeiten außerhalb des Bekannten. Im klassischen mikrofluidischen Laboralltag arbeitet man mit möglichsten geringen Drücken und Geschwindigkeiten. Da der Filter jedoch auf hohe Geschwindigkeiten angewiesen ist, werden aktuell auch hohe Drücke benötigt. Durch die Arbeit mit 6 bis 10 bar Betriebsdruck mussten Lösungen für Probleme gefunden werden, die im Labor in dieser Form nicht vorkommen, bspw.:

• Die feste und dauerhafte Verklebung der Anschlüsse mit einem Kleber der wasserbeständig ist, nicht in den Filter fließt und zeitgleich Silikon und Metall verklebt.
• Die Ermittlung einer geeigneten Betriebsmethode. Mittlerweile hat sich ein 50ml Gefäß mit verschraubter Edelstahlkappe und Druckanschluss als die beste Option herausgestellt.
• Die Gewährleistung der Festigkeit des Guss-Materials. Laborstandard ist hierbei PDMS, ein Silikon, welches nicht für solche Drücke ausgelegt ist. Zurzeit wird versucht, es mit Glasfasern zu verstärken.

Meist werden solche Hürden kleinschrittig überwunden. Die Lösung eines Problems bringt dann leider oft ein Nächstes mit sich. Damit daraus keine Sackgassen wird, geht man wie im echten Leben zu einer bestimmten Stelle zurück und denkt neu.

Aktuell kann Ihr Filter rund 81 % der Mikroplastikpartikel entfernen. Welche Verbesserungen planen Sie, um die Effizienz weiter zu steigern?

Baumann: Wir planen Verbesserungen durch verschiedene Ansätze. Das größte Potential bietet eine stetige Anpassung der Filterstruktur. Durch Simulationen im Vorfeld können wir den voraussichtlichen Effekt ziemlich genau evaluieren. Eine andere Möglichkeit bietet die Rezirkulierung beziehungsweise Aneinanderreihung mehrere Einzelfilter: Filtern drei Filter hintereinander jeweils 81% ist das Ergebnis eine Reinigungsleistung von 99,31%.

Synthetische Kleidung gilt als einer der Hauptverursacher von Mikroplastik in Gewässern. Sehen Sie eine Möglichkeit, Ihr Filtersystem direkt in der Textilindustrie einzusetzen, z. B. in Produktionsprozessen oder Waschmaschinen, um Mikroplastik schon frühzeitig abzufangen?

Baumann: Durch die Einfachheit sowie der variablen Größe und Durchflussmenge, kann unser Filtersystem auf spezifische Anforderungen angepasst werden. Somit ist eine direkte Anwendung also durchaus denkbar. Bis dahin brauchen wir allerdings noch Zeit für Forschung und Weiterentwicklung.

Sie sind auch als Technologiescout im InCamS@BI tätig. Welche Rolle spielt der Wissenstransfer von der Forschung in die Industrie bei der Entwicklung nachhaltiger Lösungen?

Baumann: Der Wissenstransfer ist neben Forschung und Lehre die dritte Säule der Universität Bielefeld und der Hochschule Bielefeld. Ziel ist es, den Austausch von Ideen und Innovationen zwischen Hochschulen, Unternehmen und Gesellschaft zu stärken oder überhaupt erst zu starten. Gerade für kleine und mittlere Unternehmen, die auf der Suche nach Partnern für die nachhaltige Umstellung ihrer Produktion sind, bieten Kooperationen mit Transferprojekten wie InCamS@BI deshalb einen absoluten Mehrwert. Zusammen lassen sich oft nachhaltige Lösungen anstoßen.

Welche nächsten Schritte planen Sie für Ihr Filtersystem, und welche Meilensteine möchten Sie in den kommenden Jahren erreichen?

Baumann: Pläne und Ideen gibt es einige. Im Mittelpunkt für dieses Jahr stehen aber vorerst weitere Grundlagenforschungen, wie Bestimmung der Größen-, Material- oder Formsensibilität gegenüber den Mikropartikeln. Ebenso wollen wir den Durchsatz erhöhen und den benötigten Druck reduzieren.