Auf der Nationalen Konferenz für Wissenschafts- und Technologiepreise im Juni dieses Jahres wurden drei Projekte im Bereich der Membrantrenntechnik ausgezeichnet. Die Membrantrenntechnik findet vielfältige Anwendung, und in unserem vorherigen Artikel (veröffentlicht letzte Woche) haben wir ihre Rolle in der Wasseraufbereitung und Gasreinigung beleuchtet. In diesem Folgeartikel gehen wir tiefer auf ihre Anwendungen in anderen Bereichen ein und werfen einen Blick auf die Zukunft dieser innovativen Technologie.
Membrantrennverfahren in biologischen Prozessen, Medizin und Gesundheitswesen
Eine der herausragenden Eigenschaften der Membrantrenntechnik ist, dass sie ohne Säuren, Laugen, organische Lösungsmittel oder Hitze auskommt. Dadurch werden chemische Rückstände vermieden und empfindliche Komponenten vor Beschädigung geschützt, was sie zu einer hocheffektiven Lösung für die biologische Trennung macht. Aus diesem Grund findet die Membrantechnologie breite Anwendung, um biologische Produkte sicherer und effizienter zu gestalten.
Revolutionierung der Zuckerproduktion
Nehmen wir beispielsweise die Saccharoseherstellung. Traditionelle Verfahren wie die Karbonisierung oder die Sulfitierung hinterlassen oft unerwünschte Stoffe wie Schwefeldioxid und erzeugen erhebliche Abfallmengen. Doch die Membrantechnologie ändert dies. Nach fünf Jahren Forschung gelang es einem Team um Wan Yinhua und Luo Jianquan von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Zusammenarbeit mit Industriepartnern, die weltweit erste Zuckercharge mittels Membrantrennverfahren herzustellen.
Dieser Durchbruch brachte bemerkenswerte Verbesserungen. Das neue Verfahren senkte die Kosten um 100 Yuan pro Tonne Zucker, sparte 20 % Energie und steigerte die Zuckerausbeute pro Tonne Zuckerrohr um 20 %. Am beeindruckendsten war jedoch die vollständige Abfallvermeidung. Dies senkte nicht nur die Kosten und steigerte die Gewinne, sondern verbesserte auch die Umweltbilanz der Zuckerproduktion drastisch. Der Erfolg dieses Projekts führte zu seiner Einführung in Zuckerfabriken in den Provinzen Guangdong, Guangxi und Yunnan und eröffnet der Zuckerindustrie damit neue Perspektiven.
Membrantechnologie in der Biopharmazie
Über die Zuckerindustrie hinaus gewinnt die Membrantrenntechnik auch in der biopharmazeutischen Industrie zunehmend an Bedeutung. Sie bietet einzigartige Vorteile für die Trennung, Konzentrierung und Reinigung biologischer Moleküle wie Proteine sowie für die Sterilisation und Virusfiltration bei der Arzneimittelherstellung.
Während der COVID-19-Pandemie stieg die Nachfrage nach Impfstoffen, Antikörpermedikamenten und Blutprodukten sprunghaft an. Obwohl es viele Methoden zur Trennung und Reinigung biologischer Arzneimittel gibt, spielt die Membrantechnologie in nahezu jedem Prozessschritt eine entscheidende Rolle. In den Upstream-Prozessen gewährleisteten Membranen die Sicherheit und Stabilität der Zellkulturen. In den Downstream-Prozessen wurden sie hingegen für Filtration, Virusentfernung und Reinigungsschritte eingesetzt und verbesserten so sowohl die Sicherheit als auch die Effizienz der Arzneimittelproduktion.
Hangzhou Cobetter Filtration Equipment Co., Ltd., ein führendes Unternehmen im Bereich der Membrantechnologie, ist seit Langem Vorreiter auf diesem Gebiet und bietet umfassende Membranlösungen für die Herstellung von Impfstoffen, Blutprodukten und anderen Biopharmazeutika. Ihre Virusfiltrationsmembranen, die für die Sicherheit dieser Produkte unerlässlich sind, gewinnen zunehmend an Bedeutung.
Aufbrechen von Monopolen in der Virusfiltrationstechnologie
Vor dem Durchbruch im Inland monopolisierten ausländische Unternehmen wie AsahiKasei Bioprocess, Millipore und Sartorius die Technologie für Virusfiltrationsmembranen. Diese Abhängigkeit wurde während der COVID-19-Pandemie besonders besorgniserregend, als Unterbrechungen der Lieferketten eine große Bedrohung darstellten. Cobetter brachte jedoch erfolgreich seine Virusfiltrationsmembran ViruClear VF auf den Markt und durchbrach damit dieses Monopol. Andere chinesische Unternehmen wie Hangzhou Jiuling Technology und Saipu folgten diesem Beispiel und stärkten so die heimischen Kompetenzen in diesem wichtigen Bereich.
Lebensrettende ECMO-Systeme
Die Membrantechnologie ist auch ein Schlüsselelement lebensrettender Medizinprodukte wie der extrakorporalen Membranoxygenierung (ECMO). ECMO, die Patienten mit schwerem Atemversagen entscheidende Unterstützung bietet, war während der COVID-19-Pandemie von entscheidender Bedeutung. Vor dem Durchbruch in China wurde der Markt von ausländischen Marken wie Maquet, Medtronic und Sorin dominiert. Doch Shenzhen Hannuo Medical Technology Co., Ltd. erhielt die Zulassung für das erste in China hergestellte ECMO-Gerät und markierte damit einen wichtigen Meilenstein für das Land.
In ECMO-Systemen ersetzt die Oxygenierungsmembran die Lungenfunktion, indem sie das Blut mit Sauerstoff versorgt und Kohlendioxid entfernt. Diese Membranen müssen hocheffizient und zuverlässig sein und über eine spezielle Struktur verfügen, um die Sicherheit zu gewährleisten. Jahrelang hatte 3M ein Monopol auf die Produktion dieser Spezialmembranen aus Poly-4-methyl-1-penten (PMP). In China laufen jedoch Bestrebungen, diese Abhängigkeit ebenfalls zu durchbrechen.
Innovationen von Professor Wang Xiaolin und dem assoziierten Forscher Lin Yakai im Bereich der Sauerstoffmembranen
Professor Wang Xiaolin und Associate Researcher Lin Yakai vom Joint Research Center for Medical Membrane Materials am Department of Chemical Engineering der Tsinghua University haben in Zusammenarbeit mit der Beijing Yanshan Branch von Sinopec bedeutende Fortschritte in der Membrantechnologie erzielt.
Ihr Team entwickelte eine semi-empirische Methode zur Auswahl von Verdünnungsmitteln, die zu einer effizienteren Herstellung von Poly-4-methyl-1-penten (PMP)-Membranen führte. Diese Membranen zeichnen sich durch eine schwammartige Struktur aus, die im Vergleich zu handelsüblichen PMP-Membranen eine überlegene Stickstoffdurchlässigkeit und Dichtigkeit bietet. Diese Innovation führte zum ersten erteilten Patent in China auf diesem Spezialgebiet und beendete das langjährige Monopol von 3M in den USA.
Da PMP-Harze jedoch weiterhin importiert werden, suchte das Team nach Alternativen. Sie experimentierten mit Polypropylen (PP), einem kostengünstigeren, lokal verfügbaren Material mit besserer Gasdurchlässigkeit, um Hohlfasermembranen zur Sauerstoffanreicherung herzustellen. Mithilfe eines Kompositphasentrennverfahrens gelang es ihnen, eine PP-Membran mit Gradientenporen und einer dichten Außenschicht zu produzieren, deren Leistung nahezu der von PMP-Membranen entspricht. Das Gemeinsame Forschungszentrum arbeitet nun aktiv an der heimischen Produktion von PMP- und PP-Harzen und erzielt so stetige Fortschritte in Richtung Lokalisierung.
Überbrückung der Lücke in der Membrantechnologie
Obwohl China im Bereich der Membrantrenntechnik, insbesondere bei der Entwicklung und Produktion von Membranmaterialien im mittleren und niedrigen Preissegment, bedeutende Fortschritte erzielt hat, besteht weiterhin eine deutliche Lücke zu den weltweit führenden Unternehmen im Bereich der High-End-Membrantechnologie. Es gilt, verschiedene Herausforderungen in Bereichen wie Forschung und Entwicklung, Produktionsprozessen und Marktdiversifizierung zu bewältigen.
Hochwertige Membranen erfordern höchste Trenngenauigkeit, Antifouling-Eigenschaften und Langzeitstabilität unter anspruchsvollen Bedingungen wie chemischen, thermischen und mechanischen Einflüssen. Viele inländische Produkte erfüllen noch nicht die internationalen Standards. Zudem hinkt Chinas Membranproduktionsanlagen hinsichtlich Effizienz, Präzision und Konsistenz im Vergleich zu fortschrittlichen internationalen Herstellern hinterher.
Ausländische Unternehmen mit jahrzehntelanger technischer Expertise und exzellentem Kundendienst genießen hohes Vertrauen und große Kundentreue. Daher werden heimische Membranen hauptsächlich in Bereichen wie der industriellen Wasser- und Abwasseraufbereitung eingesetzt, während ihr Marktanteil im High-End-Segment begrenzt bleibt.
Überkapazitäten bei Billigmaterialien, Defizite bei High-End-Materialien
Ähnlich wie in anderen Branchen herrscht in China ein Überangebot an minderwertigen Membranmaterialien, während die heimische Produktion hochwertiger Alternativen noch nicht erreicht ist. Dieses Ungleichgewicht resultiert größtenteils aus einer mangelnden Abstimmung zwischen Ausbildung, Forschung und industrieller Produktion.
Im Bildungsbereich hat sich das Wissenssystem nicht schnell genug weiterentwickelt, um mit den Anforderungen der Industrie Schritt zu halten. Trotz des wachsenden Interesses an Membrantrennungstechnologien ist deren Präsenz in den Bachelor-Studiengängen noch immer begrenzt. Die meisten Universitäten bieten lediglich Wahlpflichtkurse an, wodurch Studierende in diesem wichtigen Bereich nur unzureichend ausgebildet sind. Es gibt jedoch Anzeichen für Fortschritte: Die Universität Fuzhou eröffnete die erste spezialisierte Hochschule für Membrantechnologie des Landes – ein Schritt zur Schließung dieser Bildungslücke.
Im Forschungsbereich muss der Fokus stärker auf praktischen Anwendungen liegen. Zwar wurden durch Maßnahmen zur Verschiebung von Forschungsprioritäten Fortschritte erzielt, doch liegt der Schwerpunkt weiterhin größtenteils auf der Veröffentlichung von Artikeln anstatt auf der Lösung realer Probleme. Die Kommerzialisierung der Forschung verläuft schleppend.
In der Produktion stellen fehlende standardisierte Prozesse und unzureichende Qualitätskontrolle ein anhaltendes Problem dar. Inländische Produkte weisen häufig Qualitätsschwankungen auf, da internationale Standards nicht ausreichend eingehalten und Automatisierungs- sowie intelligente Fertigungstechnologien nur begrenzt genutzt werden. Verbesserungen in diesen Bereichen würden die Produktkonsistenz erhöhen und den Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen gerecht werden. Durch Echtzeitüberwachung, automatisierte Produktionssteuerung und datengestützte Prozessoptimierungen können Hersteller ihre Effizienz steigern und Kosten senken.
Der Weg nach vorn: Zusammenarbeit stärken und Fokus auf Anwendungen legen
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, ist es unerlässlich, die Koordination zwischen Bildung, Forschung und Industrie zu verbessern und gleichzeitig angewandte und zukunftsorientierte Forschung zu fördern.
Fokus auf angewandte Forschung. Die Entwicklung neuer Membranmaterialien ist zwar unerlässlich, doch ebenso wichtig ist die Optimierung der praktischen Anwendung von Membrantechnologien. Die Verbesserung der Leistung von Membrankomponenten, die Verfeinerung von Membranprozessen und die Erforschung neuer Anwendungsgebiete führen zu schnelleren Ergebnissen. Diese Bemühungen könnten über reine Materialinnovationen hinaus weitere praktische Einsatzmöglichkeiten der Membrantechnologie eröffnen.
Investieren Sie in zukunftsweisende Forschung. China muss sich von der bloßen Nachahmung globaler Marktführer lösen und sich auf die Überwindung kritischer Schlüsseltechnologien konzentrieren. Der aktuellen Forschung mangelt es oft an bahnbrechenden Innovationen. Um die globale Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten und nicht von ausländischen Technologien eingeschränkt zu werden, muss China interdisziplinäre Zusammenarbeit und originelle Innovationen priorisieren, die die Grenzen von Membranmaterialien, -prozessen und -anwendungen erweitern.
Durch die Priorisierung sowohl anwendungsorientierter als auch zukunftsorientierter Forschung kann China seine technologische Autonomie bewahren und seine Präsenz auf dem globalen Membranmarkt ausbauen.
