Entwicklung einer modularen Membranspinnanlage für die Herstellung von polymeren Hohlfasermembranen mittels NIPS-Verfahren

Abstract

Menschliches Leben wäre ohne Membranen nicht möglich. Sie sind essentielle Bestandteile unseres Körpers, vor allem auf Zellebene. In den letzten Jahrzehnten gelang es Membranwissenschaftern immer besser, biologische Membranen durch nicht biologische Materialien zu imitieren und in der Technik sowie Medizin einzusetzen, um die Lebensqualität der Menschheit auf ein neues Niveau zu heben. Beispielsweise bietet sich aufgrund von neuartigen renalen Unterstützungssystemen die Möglichkeit der Hämodialyse für Menschen mit ausgeprägter Niereninsuffizenz, die sonst ohne Transplantation einer Spenderniere zum sicheren Tod führt. Anstoß für diese rasche Ausbreitung der Membrantechnik in der modernen Welt ist der Durchbruch der Forschung in der Membranherstellung. Das in den 1960er Jahren entwickelte Herstellungsverfahren der Phaseninversion ermöglichte es erstmals, technische Membranen mit noch nie dagewesenen Eigenschaften in Bezug auf Permeabilität und Porengröße herzustellen. Vor allem die Nichtlösungsmittel induzierte Phasenseparation (NIPS) konnte sich über die Jahre hinweg als Standard in der Industrie etablieren, da sie es erlaubt, Hohlfasermembranen aus polymeren Werkstoffen kostengünstig und relativ einfach zu erzeugen. Aus diesem Grund war für diese Diplomarbeit gefordert, für Forschungszwecke einen Prototypen einer Membranspinnanlage zu konzipieren und aufzubauen, der mittels des NIPS-Verfahrens Hohlfasermembranen aus polymeren Materialien spinnen kann. Grundsätzlich handelt es sich bei NIPS um ein Mehrkomponentensystem, das sich aus einer flüssigen, homogen vermischten Polymerlösung, bestehend aus einem Polymer, einem dafür geeigneten Lösungsmittel und eventuell Additiven, und einem Nichtlösungsmittel zusammensetzt. Bei Kontakt der flüssigen Gemische wird ein Diffusionsprozess zwischen dem Nichtlösungsmittel und dem Lösungsmittel in der Polymerlösung initiiert, der zu einer lokalen Schwankung der Polymergemischzusammensetzung führt. Infolgedessen wird die Phasenseparation und Fällung der Lösung induziert – es bildet sich eine ausgehärtete Membran mit polymerreichen und -armen Regionen aus. Im konkreten Fall dieser Diplomarbeit wird das Herstellungsverfahren mit dessen physikalischen Prozessparametern durch einen Nassspinnprozess berücksichtigt und realisiert. Die Membranspinnanlage wurde auf dem Prinzip einer Spritzenpumpe konstruiert und für kontinuierliche Thermostatisierung, chemische Beständigkeit und einem maximalen Betriebsdruck von 100 bar ausgelegt. Zwei voneinander unabhängig steuerbare Pumpen extrudieren die Polymerlösung bzw. das Nichtlösungsmittel, auch Bohrfluid genannt, räumlich getrennt aus einer Spinndüse, an deren ringförmigen Austrittsöffnung erstmals der Diffusionsprozess stattfindet. Das Bohrfluid bewirkt dabei die Ausbildung des Lumens der Hohlfasermembran. Durch Immersion der frisch gesponnenen Faser in einem Koagulationsbad folgt zusätzlich ein Diffusionsprozess von außen nach innen, der die Membran endgültig in den festen Aggregatzustand mit der typisch ausgeprägten morphologischen Porenstruktur übergehen lässt. Die mechanische Auslegung der Anlage wurde mittels Finite-Elemente-Methode (FEM)-Analysen überprüft, die Funktionsweise anhand drei Spinnversuchen mit einem 31 wt.% Polyethersulfon (PES)+N-Methyl-2-pyrrolidon(NMP)-Gemisch und variierenden Prozessparametern bestätigt. Die sukzessive Vergrößerung des Luftspaltes von 6 cm auf 13 cm und der Einsatz der Aufwickeleinheit zeigten eine Verbesserung des anfänglich nierenförmig ausgeprägten Lumens auf ein elliptisch geformtes Lumen. Weitere Verbesserungen sind durch Optimierung der Betriebsparameter möglich und werden diskutiert. Schlagwörter: Membranherstellung, Nichtlösungsmittel induzierte Phasenseparation (NIPS), Membranspinnanlage, polymere Hohlfasermembranen

Human life would not be possible without membranes. They are essential components of our body, especially at the cellular level. In recent decades, membrane scientists have become increasingly successful in imitating biological membranes with non-biological materials and using them intechnology and medicine to raise the quality of life of mankind to a new level. For example, novelrenal support systems offer the possibility of haemodialysis for people with pronounced renalinsufficiency, which otherwise leads to certain death without a donor kidney transplant. The impetus for this rapid spread of membrane technology in the modern world is the breakthrough of research in membrane manufacturing. The phase inversion manufacturing process developed inthe 1960s made it possible for the first time to produce technical membranes with unprecedented properties in terms of permeability and pore size. Over the years, non-solvent-induced phaseseparation (NIPS) in particular has become established as an industrial standard, as it allows hollow fiber membranes to be produced from polymer materials inexpensively and relatively easily. For this reason, this diploma thesis required the design and construction of a prototype membrane spinning unit for research purposes, which can spin hollow fiber membranes from polymer materials using the NIPS process. Basically, NIPS is a multi-component system consisting of a liquid, homogeneously mixed polymer solution made up of a polymer, a solventsuitable for this purpose and optional additives, and a non-solvent. When the liquid mixtures come into contact, a diffusion process is initiated between the non-solvent and the solvent in the polymer solution, which leads to local variations in the polymer mixture composition. As are sult, phase separation and precipitation of the solution is induced – a cured membrane with polymer-rich and polymer-poor regions is formed. In the concrete case of this diploma thesis the manufacturing process with its physical process parameters is considered and realized by a wetspinning process. The membrane spinning unit was constructed on the principle of a syringepump and designed for continuous thermostatting, chemical resistance and a maximum operating pressure of 100 bar. Two independently controllable pumps extrude the polymer solution or thenon-solvent, also called bore fluid, spatially separated from each other from a spinning nozzle, atwhose annular outlet the diffusion process takes place for the first time. The bore fluid causesthe formation of the lumen in the hollow fiber membrane. By immersion of the freshly spunfiber in a coagulation bath, an additional diffusion process from the outside to the inside follows,which finally causes the membrane to change into the solid aggregate state with the typically distinct morphological pore structure. The mechanical design of the plant was checked by meansof finite element analysis (FEA) and the functionality was confirmed by three spinning trialsusing a 31 wt.% polyethersulfone (PES)+N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) mixture and varyingprocess parameters. The successive increase of the air gap from 6 cm to13 cmand the use ofthe winding unit showed an improvement of the initially kidney-shaped lumen to an elliptically shaped lumen. Further improvements are possible by optimizing the operating parameters andare discussed.