Eine Filtertechnik aus Carbon Nanomembranen (CNM), die das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP gemeinsam mit dem Start-up CNM Technologies GmbH entwickelt hat, hält im Labormaßstab Kochsalz bei gleichen Wasserflüssen mindestens fünfmal besser zurück als konventionelle Osmosemembranen. Kern der Technik ist eine nur wenige Nanometer dicke Polymerschicht, die Wasser passieren lässt und gelöste Stoffe nahezu vollständig zurückhält, womit sie für die Lebensmitteltechnologie und die Wasseraufbereitung in Frage kommt.
Der Prototyp entstand in der letzten Phase des inzwischen abgeschlossenen EU-Projekts Convert2Green. Dabei gelang es erstmals, sämtliche Herstellungsschritte in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren umzusetzen. Vorgestellt wird das Verfahren auf der Konferenz pro flex 2027 in Dresden.
Filtertechnik für die schonende Konzentration von Getränken und Aromen
Die Trennwirkung der neuen Filtertechnik beruht auf der starken Vernetzung der Polymerschicht aus Carbon Nanomembranen. Diese Struktur gestattet Wassermolekülen einen leichten Durchgang, während gelöste Ionen, organische Stoffe und andere Moleküle nahezu komplett zurückbleiben. Der im Labormaßstab gemessene Vorsprung bei der Salzrückhaltung gegenüber konventionellen Osmosemembranen macht die Membranen für anspruchsvolle Wassertrennungsaufgaben geeignet.
In der Lebensmitteltechnologie können CNM-Verbundmembranen wässrige Lösungen mittels Vorwärtsosmose schonend konzentrieren. Das kann dazu beitragen, Lager- und Transportkosten für Getränke zu senken und wertvolle Inhaltsstoffe wie Aromen oder Proteine für die Lebensmittelproduktion zu gewinnen. Anders als bei thermischen Konzentrationsverfahren werden diese Stoffe dabei keinen hohen Temperaturen ausgesetzt.
Neben der Lebensmitteltechnologie kommt die Filtertechnik auch für die Wasseraufbereitung und die Energietechnik in Frage. Zur Bereitstellung von Reinstwasser lassen sich CNM-Verbundmembranen mittels Niederdruck-Umkehrosmose einsetzen. In einem weiteren Entwicklungsschritt integrierten die Forscher des Fraunhofer FEP zusätzliche Metallschichten und stellten so ultradünne Metallfolien mit einer Dicke von wenigen 10 Nanometern her. Für europäische Hersteller ergeben sich daraus neue Möglichkeiten in der miniaturisierten Optik und Sensorik, um innovative und wettbewerbsfähige Produkte zu entwickeln.
Rolle-zu-Rolle-Verfahren schafft Grundlage für industrielle Fertigung
Im kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren hat das Fraunhofer FEP erstmals alle Herstellungsschritte der Membran umgesetzt, von der Abscheidung einer molekular dünnen Schicht bis zu ihrer Vernetzung mittels Elektronenstrahl. Das Institut wertet das als entscheidenden Fortschritt für die industrielle Skalierung und die wirtschaftliche Rentabilität der Filtertechnik.
Dr. Matthias Fahland, Projektleiter am Fraunhofer FEP, verbindet das technologische Ergebnis mit den im Projekt geschaffenen Strukturen: „Mit Convert2Green ist es uns gelungen, eine vielversprechende Filtertechnologie aus dem Labormaßstab in eine industriell relevante Prozessumgebung zu überführen.“ Und weiter: „Entscheidend ist dabei nicht nur das technologische Ergebnis selbst, sondern auch, dass wir im Projekt Strukturen aufgebaut haben, mit denen sich solche Innovationen künftig schneller in marktfähige Anwendungen überführen lassen.“
Convert2Green erleichtert Unternehmen den Zugang zu Pilotanlagen
Ziel von Convert2Green war ein umfassendes Open Innovation Test Bed (OITB), das Unternehmen den Zugang zu Technologien für klimaneutrale und kreislauffähige Materialien erleichtert. Das im Rahmen von Horizon Europe von der European Health and Digital Executive Agency (HADEA) geförderte Projekt brachte über drei Jahre 18 Partner aus Wissenschaft und Industrie aus neun Ländern in einem europaweiten Innovationsnetzwerk zusammen. Dieses unterstützt Materialentwickler dabei, neue Lösungen entlang von Wertschöpfungsketten wie Clean Energy, Smart Health oder Industrial IoT (Internet of Things) in den Markt zu integrieren. Das Fraunhofer FEP brachte seine Kompetenzen in der Entwicklung und Skalierung neuartiger Material- und Beschichtungsverfahren ein.
Vor allem kleine und mittlere Unternehmen erhalten über das Netzwerk Zugang zu Pilotanlagen, Entwicklungs- und Testdienstleistungen sowie spezialisiertem Know-how. Dafür stehen ein gemeinsames Serviceportfolio, ein zentraler Zugangspunkt, eine mehrsprachige digitale Plattform sowie Unterstützung bei der Entwicklung und Finanzierung neuer Materiallösungen bereit, damit sich neue Ansätze schneller bewerten, erproben und in industrielle Anwendungen überführen lassen. Diese Angebote, Prozesse und Netzwerke bleiben über das Projektende hinaus bestehen.
Gelegenheit, die Partnerschaften zu vertiefen und neue Kooperationen zu entwickeln, bietet die Konferenz pro flex 2027, die am 25. und 26. Mai 2027 am Fraunhofer FEP in Dresden stattfindet und auf der auch die neue Filtertechnik präsentiert wird. Die Konferenz richtet sich an Partner entlang der gesamten Wertschöpfungskette, die Forschungsergebnisse und deren praktische Umsetzung in der Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung und Beschichtung flexibler Materialien präsentieren. Schwerpunkte sind flexible Photovoltaik, Verpackung, Batterietechnologien, die koreanisch-deutsche Partnerschaft, maschinelles Lernen und KI sowie multifunktionale Folien und intelligente Oberflächen.
