Achema – Maßgeschneiderte Nanopartikel

Werden Nanopartikel „veredelt“, können sie bestimmte Moleküle an sich binden und von anderen Stoffen abtrennen. Damit das selektiv geschieht, schneidert das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Verfahrenstechnik IGB in Stuttgart Nanopartikel nach Maß. Auf der Messe Achema (15. bis 19. Mai in Frankfurt) ist ein Modell eines molekular geprägten Nanopartikels und eine Membran aus NanoMIPs zu sehen.

Moleküle aus Gemischen abzutrennen, ist eine Schlüsselaufgabe bei allen biotechnologischen und chemischen Prozessen in der Industrie. Die gewünschten Stoffe sollen möglichst rein hergestellt werden. Ist dies nicht möglich, müssen störende Begleitstoffe entfernt werden. Das gelingt den Wissenschaftlern mit „NanoMIPs“: „Wir stellen Nanopartikel mit molekularen Abdrücken her“, sagt PD Dr. Günter Tovar vom IGB. „Diese dienen dazu, bestimmte Moleküle zu erkennen und an sich zu binden. Je nach Fragestellung können wir geeignete Nanopartikel herstellen, beispielsweise für die Proteinaufreinigung oder auch, um störende Gerüche aus einem Produkt zu entfernen.“ Die Nanopartikel funktionieren dabei wie biologische Rezeptoren nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip, das abzutrennende Molekül passt also genau „in die Prägung“ des Nanopartikels.

Die Nanopartikel haben eine Größe von 100 bis 300 Nanometern. Sie sind als Pulver, als Kolloidlösung, als Oberflächenbeschichtung oder in Form einer Membran herstellbar. „Unsere Kompositmembranen bestehen aus zwei Standardschichten. Dazwischen liegt das Herzstück aus geprägten Nanopartikeln, das die abzutrennende Substanz erkennt und zurückhält, während das Stoffgemisch die Membran durchströmt“, beschreibt Dr. Carmen Gruber-Traub das Prinzip. Anschließend werden die gebundenen Stoffe in einem weiteren Verfahren wieder aus der Membran gelöst und gewonnen. Da die Nanopartikel einerseits winzig klein sind, andererseits aber eine große spezifische Oberfläche von etwa 80 Quadratmetern je Gramm haben, erreichen die Forscher auch bei mikroskopisch dünnen Schichten hohe Trennleistungen. Die Volumen- und Massenströme durch die Membran, Temperatur und Druck während der Membranherstellung und während der Trennvorgänge erfasst der Messaufbau und die Simulationsrechnungen. Diese Daten dienen den Wissenschaftlern dazu, in Zukunft immer wieder neue Trennmembranen zu modellieren und zu konzipieren.