Membran zur selektive Separation von Fettsäuren aus wässrigen Medien

Ein Verfahren zur Separation von Fettsäuren aus einem wässrigen Medium mittels offenporiger Membranen war bisher nicht existent. Es wurde ein Verfahren entwickelt zur Lösung von Fettsäuren in wässrigen Medien mittels eines Biomoleküls. Für die Separation von gelösten Fettsäuren aus wässrigen Medien wurde eine Membran entwickelt, mit der ein selektiver elektrophoretischer Stofftransport ermöglicht wird. Die etablierte Membrantechnik für die Separation von Carbonsäuren kann in verschiedenen Lifescience- Bereichen (z.B. Medizin, Chemie oder Umwelttechnik) eingesetzt werden.

Fettsäuren sind eine der häufigsten organischen Verbindungen, die als Intermediärprodukt oder Edukt in fast allen organischen Medien gefunden werden. Fettsäuren mit einer C-Kettenlänge von mehr als 6 sind hydrophob und bilden in einem wässrigen Medium Micellen. Mittels verschiedener Biomoleküle können derartige Fettsäuren in einem wässrigen Medium emulgiert werden. In Voruntersuchungen wurde gefunden, dass die Aminosäure Arginin hierfür besonders geeignet ist, da die Guanidin-Gruppe des Arginins  die Carboxylgruppe der Fettsäure über Wasserstoffbrückenbindungen in einem 1:1-Verhältnis binden kann. Hierdurch kann eine Nanoemulgierung der Fettsäuren in einem wässrigen Medium bewirkt werden. Es konnte gezeigt werden, dass Fettsäuren die an Biomoleküle, wie beispielsweise Albumin, gebunden sind, durch Arginin abgelöst und hieran gebunden werden. Ferner wurde gefunden, dass Fettsäuren, die in einer wässrigen Lösung an Arginin gebunden vorliegen sich mittels eines elektrischen Gradienten voneinander separieren lassen. Somit ist prinzipiell eine elektrophoretische Separation von Fettsäuren aus einem wässrigen Medium, in dem sie durch Arginin nanoemulgiert vorliegen, möglich. Da in den meisten wässrigen Medien in denen freie Fettsäuren vorliegen auch andere Verbindungen enthalten sind, die zusammen mit den Fettsäuren elektrophoretisch transportiert und separiert würden, ist eine selektive Separation der Fettsäuren anzustreben, wozu das Verfahren der Elektrodialyse, unter Verwendung einer Membran, die einen selektiven Stofftransport ermöglicht, prinzipiell geeignet ist. In grundlegenden Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass es nicht möglich ist Fettsären durch anionenselektive Membranen, die im Stand der Technik erhältlich sind, zu transportieren. Ferner wurde gefunden, dass bei Verwendung von Membranen, die transmembrane Kanäle aufweisen, es durch die Belegung der Kanaloberflächen mit Fettsäuren zu einem elektro-osmotischen Fluss kommt, der den Transport behindert und weitere nachteilige Effekte bedingt.
Es war daher das Ziel der Entwicklungsarbeiten, eine Membran herzustellen, die einen selektiven elektrokinetischen Transport  Fettsäuren mit einer möglichst großen Transportrate ermöglicht. Basierend auf dem Prinzip der nanofluidischen Stoffseparation wurden nano- und mikroporöse anorganischen Trennmembranen mit Aminosäurepolymeren funktionalisiert. Es wurde gefunden, dass eine Belegung der Kanaloberflächen nicht ausreicht, um die zu erzielende Selektivität des Stofftransports zu gewährleisten. Diese konnte dadurch erreicht werden, indem auch innerhalb der Kanäle ein raumdurchspannendes Netzwerk aus Aminosäurepolymeren, die eine hohe Oberflächenhydrophobizität aufweisen, erzeugt wurde. Das Verfahren zur Herstellung von hydrophoben raumdurchspannenden Polymerstrukturen, die Nanospalträume ausbilden, konnte auf mesoporöse Keramikmembranen übertragen werden.

Es wurde ferner gefunden, dass die Entstehung eines elektro-osmotischen Flusses auch dadurch verhindert werden kann, indem die offenporigen Membranen mit einem hydrophobierten Polykation beschichtet werden. Ferner wurde gefunden, dass die Kombination aus einer offenporigen Membran mit einem hydrophoben raumdurchspannenden Polymernetzwerk und einer Beschichtung mit einem hydrophobierten Polykation besonders geeignet ist, um einen selektiven Transport von Fettsäuren aus einem wässrigen Medium mit einer hohen Transportleistung zu ermöglichen, wobei es nicht zu einem elektro-osmotischen Fluss kommt.

Somit konnte die Aufgabenstellung gelöst werden und ein Verfahren zur Herstellung von Membranen zur elektrophoretischen Separation von Fettsäuren aus wässrigen Medien bereitgestellt werden.

Es wurden Patentanmeldungen für das Verfahren zur Herstellung von raumdurchspannenden Polymernetzwerken in offenporigen Membranen sowie für die hierdurch erhältlichen Membranen vorgenommen (zum Patent WO2018042060A1).

Die Entwicklungsarbeiten wurden durch das BMBF gefördert (FKZ: 13N11392 sowie 13XP5027A)