Ga verder na de inhoud
Hightech koffiefilters voor moleculen
© Kurt Van Strijthem
Onderzoek

Hightech koffiefilters voor moleculen

Een koffiezetmachine, een waterfilter of een nierdialysetoestel: ze maken allemaal gebruik van dezelfde technologie: membranen.

5 minuten
07 december 2019

Een koffiezetmachine, een waterfilter of een nierdialysetoestel: ze maken allemaal gebruik van dezelfde technologie: membranen, zeg maar filters met piepkleine gaatjes die zelfs kleine moleculen van elkaar kunnen scheiden. Je kan er water of lucht mee zuiveren, groene energie mee opwekken en stockeren, maar ook voedingstoffen of medicijnen mee maken. De bio-ingenieurs van KU Leuven doen volop onderzoek naar de nieuwste generatie membranen.

“We beseffen het niet, maar ons dagelijks leven zit vol membranen. Een theebuiltje of een koffiecapsule is een membraan, net zoals de oliefilter in je auto of je goretex jas die damp – je transpiratie – doorlaat maar toch regendruppels tegenhoudt. In vliegtuigen zorgen membranen voor zuurstofrijke lucht voor de passagiers. En bij nierdialyse stroomt het bloed langs een membraan dat de schadelijke stoffen uitfiltert”, vertelt professor Ivo Vankelecom van de onderzoeksgroep membraantechnologie cMACS van KU Leuven enthousiast over zijn onderzoekstopic.

Membranen zijn filters en hun taak bestaat erin stoffen te scheiden van elkaar: ze laten één stof door en houden een andere tegen, net zoals de doorsnee koffiefilter. Al zijn de membranen waaraan de onderzoekers werken, van een andere orde: ”Dat zijn high-tech nanomembranen. We vertrekken van een polymeer – een kunststof – waarin we minuscule poriën op nanoschaal - een miljardste van een meter of nog kleiner – maken die je vaak zelfs met de beste elektronenmicroscoop niet kan zien. Het geheel vormt het membraan. Bepaalde stofdeeltjes gaan daar dan sneller doorheen dan andere waardoor je ze gescheiden krijgt.”

Biogas

De onderzoeksgroep ontwikkelde al een dergelijk membraan voor biogas. “Je kan biogas winnen wanneer organisch afval, zoals groente-, tuin- en fruitafval, begint te gisten. Het draait dan vooral om het bestanddeel bio-methaan: daar kan je elektriciteit mee opwekken, je wagen mee laten rijden of mee verwarmen. Maar bio-methaan vind je nooit in pure vorm. In het biogas zit bijvoorbeeld telkens ook een flinke portie CO2 het broeikasgas koolstofdioxide. Om het bio-methaan te zuiveren van CO2, gebruikt de industrie meestal membranen. Onze onderzoeksgroep heeft recent een membraan ontwikkeld dat maakt dat er minder pompen en elektriciteit nodig zijn om stoffen te scheiden. We bekijken nu hoe je dat op grote schaal kan toepassen, zodat het in de industrie gebruikt kan worden.”

Membraantechnologie smartcoater
© Kurt Van Strijthem

Er zijn ook nog heel wat andere toepassingen: “We werken aan membranen die zeewater met minder energie en chemicaliën omzetten naar drinkwater of membranen die de strijd tegen de klimaatopwarming tegen gaan door CO2 af te scheiden van stikstof. Zelfs in batterijen zitten membranen. Momenteel werken we mee aan een groot Europees project om batterijen te maken die geen metalen bevatten, maar werken met papierafval. In de farmaceutische en medische sector zijn er ook vele mogelijkheden. Membranen zitten bijvoorbeeld in snelle diagnostische tests, zoals de Predictor-zwangerschapstest.

Geen afval en minder energie

Voor heel dat gamma toepassingen hebben de onderzoekers de voorbije jaren al een zestal membranen ontwikkeld en gepatenteerd. “Die testen we nu verder zodat ze niet alleen in het labo, maar ook in de industrie gebruikt kunnen worden en mogelijk op grote schaal geproduceerd kunnen worden. Algemeen heeft membraantechnologie het voordeel erg milieuvriendelijk te zijn: er ontstaan geen afvalstromen en er wordt veel minder energie verbruikt dan bij andere scheidingsmethoden, soms zelfs tot 100 keer minder.”

Membraantechnologie smartcoater detail
© Kurt Van Strijthem

Heel wat bedrijven die interesse hebben in membranen, kloppen aan bij de onderzoeksgroep van professor Ivo Vankelecom. Dat heeft onder andere ook te maken met een nieuw toestel voor membraanproductie op pilootschaal waarmee de onderzoekers werken. “Het gaat om een Smartcoater 300, een toestel dat eigenlijk bedoeld is om coatings te maken voor de verf- en textielindustrie. Maar nu wordt het gebruikt voor de aanmaak van membranen. Dat een universiteit zo’n pilootinstallatie in huis heeft, is uniek: de investering draait ook om een klein miljoen euro – daarvoor konden we gelukkig beroep doen op een industriële sponsor. Deze machine is de cruciale tussenstap tussen het laboratorium en de productiehal van een fabriek. Veel bedrijven willen graag bij ons membranen laten maken op dit toestel en vervolgens laten testen op hun scheidende eigenschappen. Met onze testapparatuur kunnen we tot meer dan 100 membranen gelijktijdig testen in ons labo”, vertelt Vankelecom.

Carwash

Het toestel van acht meter lang en twee meter hoog kan membranen op industriële wijze aan de lopende meter maken. “Het eindproduct lijkt een beetje op een rol behangpapier. We brengen een laagje polymeer – kunststof – aan op een rol en vervolgens wordt die laag fysisch en/of chemisch bewerkt. Soms mengen we er ook nanomaterialen bij om de scheidende eigenschappen nog te verbeteren. Je kan het nog het best vergelijken met een carwash: de laag gaat door een oven, een waterbad, een luchtbad om te drogen, soms een zonnebank met UV-bestraling enzovoort, en wordt dan opgerold. Al naargelang de bewerking krijg je dan een membraan met heel specifieke eigenschappen, bijvoorbeeld eentje dat geschikt is om een nieuw drankje mee te brouwen.”

Membraantechnologie smartcoater papier

De installatie produceert nu al een basisproduct: “Bij membranen vertrek je meestal van een steunlaag waarop je vervolgens het laagje afzet dat de eigenlijke scheiding op nanoschaal moet gaan realiseren. Er bestond nog geen steunlaag die stabiel is in extreme omstandigheden én die voor alles bruikbaar is. Zo’n polyvalente steunlaag hebben we nu, deels samen met een andere industriële partner, ontwikkeld en gaan we ook commercialiseren. We leveren al aan laboratoria van buitenlandse universiteiten. Dat product is een eerste stap: daarmee gaan we nu aan de slag om membranen af te werken voor de vele andere toepassingen.”