Britische Forschende entwickeln neuartige Proteinmembran zur Trennung von Lithium und Natrium für die Batterieproduktion

Britische Forschende entwickeln ein neues Verfahren, bei dem gentechnisch veränderte Proteine eingesetzt werden, um das für Batterien benötigte Lithium zu extrahieren. Diese Proteine können sich zu Membranen mit Poren von bis zu 1 Ångström zusammenfügen, was eine Trennung von Lithium vom chemisch ähnlichen Natrium ermöglichen könnte. Das Verfahren nutzt S-Layer-Proteine, die auf der Oberfläche von Mikroorganismen natürlich hochgeordnete Strukturen bilden. Ziel der Forschenden ist es, diese Proteine so zu modifizieren, dass Membranen mit einheitlichen Porengrößen entstehen, die Lithium- und Natrium-Ionen selektiv trennen können. Wissenschaftler der University of Birmingham und der Aston University untersuchen Porengrößen von 1 bis 50 Ångström, wobei 1 Ångström einem Milliardstel Meter entspricht.

Ziel ist die Herstellung großflächiger Membranen, die unter realen Betriebsbedingungen hochselektive Trennungen durchführen können. Dieses auf drei Jahre angelegte Projekt erhielt eine Förderung von 6,2 Millionen Pfund Sterling von der britischen Advanced Research and Invention Agency (ARIA).

Design und Selektionsprozess der Membranen

Die Forschenden werden Tausende Proteinvarianten designen und screenen, um dann die vielversprechendsten Kandidaten für die Membranherstellung und -tests zu skalieren. Die vorgeschlagenen Membranen werden S-Layer-Proteine nutzen, die auf der Oberfläche vieler Mikroorganismen natürlich geordnete zweidimensionale Strukturen bilden. Diese Proteine können sich zu sich wiederholenden Mustern zusammenfügen, ohne dass jedes einzelne Element positioniert werden muss. Die Forschenden planen, ihre Struktur so zu verändern, dass Poren mit kontrollierbaren Dimensionen und chemischen Eigenschaften entstehen. Zehntausende Proteinvarianten werden designed und gescreent, um Kandidaten zu identifizieren, die Lithium- und Natrium-Ionen trennen können. Die vielversprechendsten Versionen werden in größerem Maßstab produziert und in Membransysteme integriert.

Dr. Dominik Kubicki, Projektleiter an der University of Birmingham, erklärte: „Biologie kann geordnete Materialien mit einer Präzision aufbauen, die mit bestehenden Fertigungsmethoden schwer zu erreichen ist. Wir wollen dies nutzen, um Membranen mit einheitlichen, programmierbaren Poren zu schaffen.“ Fold9 wird das computergestützte Proteindesign übernehmen, während Adaptyv Bio Qualcomm-Hochdurchsatz-Screening bereitstellen wird, um große Mengen an Varianten zu testen. Das in Großbritannien ansässige Evove wird Expertise in Membranherstellung, Skalierung und Tests beisteuern. Die Forschenden werden zudem Kryo-Elektronenmikroskopie (cryo-EM) und Neutronenreflektometrie einsetzen, um die nanometergenauen Eigenschaften der Membranstruktur zu untersuchen.

Diese Technologien werden helfen zu bestimmen, wie Veränderungen in der Porengeometrie die Ionenselektivität, -stabilität und -transport beeinflussen.

Herausforderungen bei der Skalierung der Membranherstellung

Die Skalierung der Membranen über das Labor hinaus ist eine zentrale Herausforderung. Das Team plant, Proteinproduktion, Membranherstellung und Tests zu kombinieren, um zu bewerten, ob diese Materialien ihre selektiven Eigenschaften bei der Herstellung in größerem Maßstab beibehalten. Professor Owen Thomas von der University of Birmingham sagte: „Eine wesentliche Herausforderung besteht darin, die molekulare Kontrolle in Membranen zu übersetzen, die in praktischem Maßstab hergestellt und betrieben werden können.“ Das Projekt ist Teil von ARIAs „Universal Manufacturer“-Programm, das den Einsatz gentechnisch veränderter Proteine als Bausteine für die Herstellung von Materialien mit kontrollierbarer Struktur erforscht.

Obwohl die Lithiumextraktion das vorrangige Ziel ist, glauben die Forschenden, dass dieser Ansatz langfristig auch die Wasseraufbereitung, die Rückgewinnung kritischer Minerale sowie die chemische und pharmazeutische Produktion unterstützen könnte.

Die Technologie befindet sich derzeit noch in der Entwicklungsphase. Das Team hat noch keine industriell skalierten Membranen, Lithium-Rückgewinnungsraten oder gemessenen Energieeinsparungen berichtet. Der auf drei Jahre angelegte Plan wird testen, ob gentechnisch veränderte Proteine die für praktische Trennsysteme erforderliche Selektivität, Haltbarkeit und Skalierbarkeit liefern können.

Potenzielle Anwendungen und Herausforderungen neuartiger Proteinmembranen

Diese Forschung demonstriert das Potenzial gentechnisch veränderter Proteine in der Batterieproduktion, insbesondere bei der selektiven Trennung von Lithium und Natrium. Durch die Nutzung biologischer Präzision hoffen die Forschenden, Membranen mit kontrollierbaren Porengrößen zu schaffen, was für die Steigerung der Batterieeffizienz entscheidend ist. Doch die Skalierung von Labortechnik auf Industriemaßstab bleibt herausfordernd, besonders beim Erhalt der selektiven Eigenschaften der Membranen. Bei Erfolg könnte diese Technologie nicht nur die Batterieproduktion verbessern, sondern auch in Bereichen wie Wasseraufbereitung und Mineralrückgewinnung eine wichtige Rolle spielen, was ihr breites Anwendungspotenzial unterstreicht.