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M. Pekovits:
"Entwicklung einer modularen Membranspinnanlage für die Herstellung von polymeren Hohlfasermembranen mittels NIPS-Verfahren";
Supervisor: M. Gföhler, M. Harasek; 307-03, 2020; final examination: 2020-09-11.

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 in
technology and medicine to raise the quality of life of mankind to a new level. For example, novel
renal support systems offer the possibility of haemodialysis for people with pronounced renal
insufficiency, 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 in
the 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 phase
separation (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 solvent
suitable 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 a
result, 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 wet
spinning process. The membrane spinning unit was constructed on the principle of a syringe
pump and designed for continuous thermostatting, chemical resistance and a maximum operating
pressure of 100 bar. Two independently controllable pumps extrude the polymer solution or the
non-solvent, also called bore fluid, spatially separated from each other from a spinning nozzle, at
whose annular outlet the diffusion process takes place for the first time. The bore fluid causes
the formation of the lumen in the hollow fiber membrane. By immersion of the freshly spun
fiber 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 means
of finite element analysis (FEA) and the functionality was confirmed by three spinning trials
using a 31 wt.% polyethersulfone (PES)+N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) mixture and varying
process parameters. The successive increase of the air gap from 6 cm to 13 cm and the use of
the 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 and
are discussed.

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 nichtbiologische 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

Membranherstellung / Nichtlösungsmittel induzierte Phasenseparation (NIPS) / Membranspinnanlage / polymere Hohlfasermembranen

https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_291700.pdf