Auf den Spuren des Mikroplastiks

Seit Jahrzehnten nehmen die Produktion und der Konsum von Kunststoffen zu und sind für die moderne Gesellschaft und Industrie unabdingbar geworden. Jedoch führen die sorglose Verwendung und der unachtsame Umgang mit Kunststoffprodukten und Hilfsmitteln zu einer weltweiten Belastung der Umwelt. Einmal im System verbleibt das Plastik oft dort und zersetzt sich zum Beispiel in Gewässern und Meeren durch mechanische und (photo-)chemische Belastungen zu Mikro- und Nanoplastik. Bereits seit längerem gilt Mikro- und Nanoplastik als potenzielle Gesundheitsgefahr und wurde erst kürzlich im menschlichen Blutkreislauf und Hirngewebe nachgewiesen [1, 2]. Ein Forscherteam der Universität Bielefeld und dem Projekt „Incams@Bi – Innovation Campus for Sustainable Solutions“ versucht, mit einem innovativen Filter einen Ansatz zur Lösung zu schaffen, der auch die Circular Economy unterstützt.

Im vergangenen Vierteljahrhundert wurde mehr als die Hälfte des Plastiks, das seit den 1950er-Jahren produziert wurde, hergestellt, was einer Menge von über 8 Mrd. metrischen Tonnen entspricht [3]. Ein gewisser Anteil gelangt auf verschiedenen Wegen in die Umwelt. Schätzungen zufolge befindet sich über 1 % des jemals gefertigten Kunststoffs in den Meeren, wo sich nur der kleinste Teil sichtbar an der Oberfläche befindet [3].
Mechanische Reibung und photochemische Zersetzung führen im Wasser zu einer Degradation des Makroplastiks zu kleinerem Mikro- und Nanoplastik, welches durch seine Größe viel leichter mit der Nahrung aufgenommen werden kann und so in den Organismus von Lebewesen gelangt [4, 5]. Gerade Mikro- und Nano-plastik steht wegen gelöster hormonaktiver, karzinogener und persistenter organischer Additive unter dem Verdacht, gesundheitliche Nebenwirkungen wie Neurotoxizität, metabolische Dysfunktionen, oxidativen Stress oder Infertilität und Tumore durch Chromosomenaberration hervorzurufen [6].

Im Allgemeinen lassen sich Mikro- und Nanoplastik in zwei Kategorien einteilen. Primäres Mikro- und Nanoplastik gilt als direktes Hilfsprodukt und findet in Kosmetika und Hygieneprodukten, Farben und Lacken und sogar in Schleifmitteln von Reinigungsstrahlern oder als Vektor in der Pharmaindustrie und Medizin seinen Einsatz. Somit ist es allgegenwärtig und wird tagtäglich in Zahnpasta, Peelings, Duschgelen, Fahrbahnmarkierungen und Medikamenten genutzt [7]. Zwar ist der Einsatz von Mikroplastik (Mikroperlen) als Abrasivstoff in auszuspülende/abzuspülende Mitteln EU-weit seit dem 17. Oktober 2023 untersagt, jedoch dienen Kunststoffpartikel weiterhin als Verdickungs-, Trübungsmittel oder Ähnliches. Dieser Einsatz ist erst ab Oktober 2027 untersagt. Für weitere Anwendungsfälle sieht die EU eine Staffelung der Verbote bis 2035 vor [8]. Sekundäres Mikro- und Nanoplastik ist hingegen ein direktes Abfallprodukt der Verwendung und des Umgangs mit Kunststoffen und kann somit nicht durch zum Beispiel eine andere Rezeptur für ein Kosmetikprodukt vermieden werden. Es entsteht durch physikalische, (photo-)chemische oder biologische Zersetzung [7], durch Reibung beim Waschen von Kunstfaserkleidung oder der Brandung an Küsten oder Riffen sowie durch Alterung der Kunststoffe durch lange Exposition von UV-Licht im Freien.

Neben klassischen Filtrationsmethoden wie Umkehrosmose oder Adsorptions- und Sedimentationsfiltern existieren bereits neuartige Filtermethoden, um gezielt Mikro- und Nanoplastik aus Wasser zu entfernen. Jedoch weisen viele dieser Methoden mindestens einen von zwei Nachteilen auf: Zum einen muss in der Regel ein Kompromiss zwischen der Filterselektivität, also der Größenskala der Partikel und dem Filterdurchsatz, also der Geschwindigkeit des Filterprozesses, getroffen werden. Zum anderen wird zum Teil sehr aufwendiges und teures Equipment benötigt, das oft einen Stromanschluss voraussetzt.

Im Projekt Blue Water befasst sich die Forschungsgruppe der „Experimentellen Biophysik und angewandten Nanowissenschaft“ der Universität Bielefeld unter Prof. Dr. Dario Anselmetti mit einem neuartigen bionischen Filtermechanismus, der 2021 erstmals von den US-amerikanischen Forschern Clark et al. untersucht wurde. Doktorand und Technologiescout Tim Robertino Baumann erforscht den Mechanismus des Filters mit der Vision eines industrie- und verbraucherfähigen Mikrofluidikprodukts.
Das Prinzip beruht auf dem Ernährungsmechanismus der Rochenarten Mobula birostris und Mobula tarapacana, dem Riesenmanta und chilenischen Teufelsrochen [9]. Beide Tiere ernähren sich zum Teil von Zooplankton, welches sie als Suspensionsfresser aus dem Wasser filtrieren. Suspensionsfresser lassen sich in zwei Klassen gliedern: Passive Suspensionsfresser wie Anemonen verlassen sich auf die Bewegung des umgebenden Mediums, um Plankton zu adhärieren, während aktive Suspensionsfresser wie der Riesenmanta und der chilenische Teufelsrochen durch ihre eigenen Bewegungen Plankton aufnehmen. Neben den Kiemen zum Atmen besitzen sie sogenannte Filterreusen, das sind lamellenartige Strukturen, mit denen sie den Wasserfluss in ihrem Schlund aufteilen und Plankton anreichern [10]. Dieser Mechanismus ist so ausgelegt, dass möglichst viel Plankton aus dem Wasser extrahiert wird und der Wasseranteil im Extrakt minimal ist. Beides sind Ziele für eine gute Filtration von Mikro- und Nanoplastik, was das System hochspannend für die Entwicklung von Mikroplastikfiltern macht.

Suspensionsfiltration bezeichnet das Vermögen, feste Bestandteile aus einer Suspension zu extrahieren. Meist geschieht dies über Immobilisieren der gelösten Stoffe auf der Oberfläche oder durch Umleiten der Stoffströmung. Der Mechanismus des verwendeten Filters beruht auf einer Umleitung der Strömung. Um diese Eigenschaft in Gänze nutzen zu können, wird sich eines mikrofluidischen Setups bedient. Die Mikrofluidik ist ein relativ junger Bereich der Physik und befasst sich in erster Linie mit der Manipulation von kleinsten Mengen an Fluiden (wenige nl bis µl) auf kleinstem Raum. In der Regel sind mikrofluidische Kanäle nur einige µm bis wenige 100 µm groß, was der Dicke eines menschlichen Haars entspricht. Diese Größenordnung erlaubt es, andere Effekte zu berücksichtigen, die makroskopisch vernachlässigt werden. So dominieren Reibungs- und Kapillarkräfte die Trägheits- und Gewichtskräfte des Fluids. Der Aufbau des Filters ist relativ simpel. Er besitzt einen zentralen inneren Primärkanal, in dem die Suspension eingeleitet und zum Teil ausgeführt wird. Lateral zur Flussrichtung befinden sich Arrays von gewinkelten Lamellen, die zu den außenliegenden Sekundärkanälen führen, deren Ausgänge im Nachhinein rekombiniert werden. Die Flüssigkeit kann den Filter nun über einen von zwei Ausgängen verlassen und ist je nach vorliegender Geometrie und Flussgeschwindigkeit mehr oder weniger angereichert mit Partikeln.
Durch verhältnismäßig hohe Volumenflussraten von über 20 ml/min arbeitet der Filter in einem partiell turbulenten Regime. Dies hat die Bildung von Vortices am Eingang der Lamellenzwischenräume zufolge, welche die Trajektorie der Feststoffe beeinflussen. Somit werden Partikel bei ausreichend hoher Flussrate umgelenkt oder gefangen.

Im Vorfeld der Laborforschung werden Filterdesigns entwickelt und mithilfe von CFD-Flusssimulation (Computational Fluid Dynamics; Comsol) sowie Particle Tracing getestet. Die Umsetzung eines Designs als Filter hängt von Faktoren wie der Filterleistung und der -effizienz ab. Diese beschreiben den Durchsatz und die Aufreinigung der „sauberen“ Flüssigkeit. Außerdem spielen die Fluidgeschwindigkeit und die damit verbundene Vorticebildung eine entscheidende Rolle.

Haben sich Designs für die Testphase qualifiziert, werden die Strukturen auf eine Photomaske für eine anschließende Photolithographie übertragen. Im Reinraum (Klasse 1.000) wird ein Negativ-Relief der Strukturen mittels eines negativen SU-8 Photoresists (Micro Chem) und eines UV-Parallelbelichters auf Siliziumwafer aufgebracht. Dieses Relief lässt sich anschließend in Polydimethylsiloxan (PDMS) übertragen. Im Vorfeld muss das PDMS jedoch durch Variierung des Vernetzungsverhältnisses oder Glasfasern verstärkt werden. Nach dem Aushärten kann das PDMS entformt und zurechtgeschnitten werden, um nach Oberflächenaktivierung in einer Plasmaanlage auf Laborglas aufgebracht zu werden.
Letztlich werden die Ein- und anschließend die Ausgänge mit Dosiernadeln versehen und mit einem 2-Komponenten-Kleber (Weicon) adhäriert. Die fertigen „Chips“ können nun an die Flüssigkeitsreservoire angeschlossen werden. Die Testflüssigkeit besteht standardisiert aus 40 ml hochentsalztem Millq-Wasser (Millipore) und 400 µl einer Lösung mit 25 µm großen Microbeads (Sigma-Aldrich; Fluoresbrite). Über 50 ml Falcon Tubes (Corning) Edelstahl-Schraubverschlusskappen (Fluigent) mit Druckanschluss kann ein Druck von bis zu 12 hPa angelegt werden. Da sich eine Flussgeschwindigkeit zwischen 20 und 25 ml/min als ausreichend herausgestellt hat, genügt ein Arbeitsdruck von 8 bar. So lässt sich die gesamte Testflüssigkeit innerhalb von etwa 2 min filtern.

In ersten Messungen wurde der Einfluss der Geometrie auf die Filterleistung und Filtereffizienz untersucht. Hierfür wurden Strukturen mit Kombinationen der Innen- und Außenkanalbreiten von 100 µm und 200 µm sowie Winkeln der Lamellenarrays von 20°, 40° und 60° untersucht. Für die Filterleistung wird die Aufteilung der Flüssigkeit in Filtrat und Residuum untersucht. Hierfür werden bei steigender Flussrate iterativ 10 ml Millq-Wasser durch den Filter geführt, um einen Bereich von    5 ml/min bis 50 ml/min mit Schrittweite von 2,5 ml/min oder 5 ml/min abzudecken.
Die Filtereffizienz E wird nach

bestimmt. Hierfür wird die Menge der Partikel in einem festgelegten Volumen in einer Zählkammer oder in einem Fluorometer bestimmt.

Wiederholbare Filtereffizienzen von über 80 % bei Filterleistungen von etwa 50 % sind für die ersten Messungen sehr erfolgreich und bieten ein sehr großes Potenzial. Gerade da die Filter nach der Benutzung keiner gegengesetzten Spülung bedürfen und nur minimalen mechanischen Verschleiß aufweisen, welcher auf die Wahl der Chipmaterialien zurückzuführen ist. Jedoch gibt es auch noch Verbesserungsbedarf, gerade in der Materialauswahl, da ein Silikon schlicht ungeeignet für derartige Drücke und mechanische Verformungen ist. So stehen die weitere Materialforschung und die Senkung des Arbeitsdruckes im Hauptfokus der nachfolgenden Arbeiten. Ein weiterer Fokus liegt in Messreihen parallel geschalteter Filter für eine Flussratensteigerung und seriell geschalteter Filter für eine weitere Erhöhung der Filtereffizienz oder Filtration Partikel variabler Größe.

Auch wenn eine Flussrate von 20 und 25 ml/min zuerst zu gering für eine industrielle Anwendung erscheint, ist sie im Vergleich zu üblichen Flussraten von einigen      100 µl/h für die Mikrofluidik enorm. Die Lösung dieses Dilemmas liegt auf der Hand: Durch Abmessungen der Filterstruktur von 50.000 bis 80.000 µm Länge, 2.000 bis 5.000 µm Breite und 60 µm Höhe lassen sich auf kleinstem Raum hunderte Filter parallel verschalten und steigern die Flussrate so auf einen gewünschten Wert. Ein Volumen von 1 l mit Maßen 10 x 20 x 5 cm fasst je nach Fertigungsart mindestens 400 einzelne Filter bei einer Konstellation von 100x Filterhöhe plus je 940 µm Deckschicht; 40x Filterbreite plus Deckschicht (insgesamt 5 mm); einmalige Filterlänge von 5 cm. Bei einer Flussrate von mindestens 20 ml/min je Einzelfilter ergibt sich so ein Gesamtdurchsatz von über 8 l/min, was dem Wasserverbrauch einer Dusche mit Mengenregler oder dem 80-fachen Durchsatz eines handelsüblichen Wasserfilters auf Aktivkohlebasis entspricht. Dieser Wert ließe sich linear beliebig hochskalieren, muss jedoch zuvor noch in einer Laborumgebung untersucht werden.

Quelle: Universität Bielefeld