Forschungsthemen Trenntechnik
Dielektrophorese (DEP) beschreibt die Bewegung von geladenen und ungeladenen Partikeln in inhomogenen elektrischen Wechselfeldern. Dielektrophorese entsteht durch die Einwirkung eines räumlich ungleichmäßigen Feldes auf einen induzierten Dipol. DEP ermöglicht damit die Entwicklung von Verfahren zur Trennung von Partikelgemischen, bei denen konventionelle Trennverfahren versagen. Dies ist z.B. bei der Trennung sehr kleiner Partikel der Fall oder bei der Trennung von Partikeln die nur subtile Eigenschaftsunterschiede aufweisen, z.B. der Trennung von Blutkörperchen nach Bluttyp.
Wir benutzen DEP zur Trennung von technischen Partikelgemischen nach Material und unser Fokus ist im Speziellen die Materialtrennung bei hohem (industriell relevanten) Durchsatz. Dies ist im Kontrast zu vielen konventionellen DEP-Anwendungen, bei denen das Verfahrena für (bio-)analytische Zwecke bei hoher Genauigkeit, aber geringen zu untersuchenden Volumina, eingesetzt wird. Eine gute Übersicht über DEP Anwendungen findet sich z.B. im Reviewpaper von Hughes.
Die meisten herkömmlichen DEP Anwendungen basieren auf mikrofluidischer Technik, also auf sehr kleinen Maßstäben der Kanäle und Elektroden, und werden bei geringen Durchflüssen betrieben. Maßstabsvergrößerungen sind schwierig, da der Feldgradient sehr stark mit der Entfernung vom erzeugenden Elektrodenarray abnimmt. Mit der dielektrophoretischen Filtration forschen wir an einer Möglichkeit, diese inherente Limitierung zu umgehen. Hierbei wird der für die DEP notwendige Feldgradient durch die Störung des Felds an isolierenden Strukturen erzeugt. Die isolierenden Strukturen können z.B. poröse Keramik- oder Polymerschäume sein, die dann als (elektrisch) schaltbare Filter fungieren. Dann ist der Feldgradient vom Durchsatz entkoppelt, was ein Betrieb im präparativen oder sogar industriellen Maßstab möglich macht. Sind die Filterstrukturen groß genug gewählt, sodass keine Partikel durch Größenauschluß abgetrennt werden, so lassen sich gefangenene Partikel nach abschalten des Feldes rückgewinnen.
In Filtrationsprozessen, vor allem bei der Biomembranfiltration, bildet sich nach einiger Zeit der Operation eine Schmutzschicht auf der Oberfläche der Filtermodule, die aus den gefiltertern Partikeln oder Organismen besteht. Konventionell werden solche Schichten durch Rückspülen (also ein Umkehren der Flussrichtung) von der Membran entfernt. Durch das Einbringen von Elektroden unter oder über der Filtrationsfläche lassen sich inhomogene elektrische Felder erzeugen, die die (bio-)Partikel polarisieren und so von der Ablagerung abhalten können. Dadurch lässt sich effektiv durch das einbringen einer (geringen) Spannung die Zeit die bis zur Rückspülung benötigt wird drastisch verlängern.
