Ursprünglich veröffentlicht auf C&EN.
Leser aus aller Welt reichten über unsere Website Nominierungen ein. Wir verfolgten auch die neuen Firmen, über die C&EN Woche für Woche berichtete. Nach der Prüfung von über 200 Unternehmen wählten wir zehn aufgrund ihrer wissenschaftlichen Arbeit und der Bandbreite der Probleme aus, an deren Lösung sie arbeiten.
ZwitterCo
Verwendung von Zwitterionen zur Herstellung von Antifouling-Wasserfiltern
ZwitterCo wurde 2018 mit einem Problem im Hinterkopf gegründet. Viele herkömmliche Wasserfiltermembranen – hergestellt aus Materialien wie Polysulfonen, Polyacrylnitril und Polyamiden – neigen dazu, sich mit Fetten, Ölen und anderen hydrophoben Molekülen zu verunreinigen. Sind solche Verunreinigungen im Wasser bereits in Konzentrationen von wenigen ppm vorhanden, können die Membranen innerhalb weniger Tage oder sogar Stunden zerstört werden.
„Eine der Achillesfersen, die ihre Praktikabilität und die Anwendungsmöglichkeiten von Membranen seit jeher einschränkt, ist ihre Verstopfungsgefahr“, sagt Alex Rappaport, Mitgründer und CEO des Bostoner Unternehmens. „Wenn man die Verschmutzung reduzieren und diese Fehlerquelle eliminieren könnte, könnte man die Filtration viel breiter einsetzen.“
Wie der Name schon sagt, setzt ZwitterCo bei der Lösung des Problems auf Zwitterionen – Moleküle mit sowohl positiv als auch negativ geladenen Gruppen in unmittelbarer Nähe. Zur Herstellung seiner Membranen copolymerisiert das Unternehmen diese Zwitterionen, um eine aktive Filterschicht zu erzeugen.
„Zwitterionische Polymere gehören zu den hydrophilsten, wenn nicht sogar zu den hydrophilsten Hochleistungspolymeren überhaupt“, sagt Rappaport. „Die Polymere, mit denen wir arbeiten, sind so hydrophil, dass sie hygroskopisch sind. Sie absorbieren Feuchtigkeit aus der Luft. Während der verschiedenen Synthesephasen muss in einer feuchtigkeitsfreien Umgebung gearbeitet werden.“
Die Zwitterionen in den Membranen des Unternehmens leiten Wasser, stoßen aber hydrophobe Fette und Öle ab. Die Auswirkungen der chemischen Reaktion sind dramatisch. Laut ZwitterCo vertragen seine Membranen 10,000 ppm oder sogar 100,000 ppm Öl und Fett. Einige der Filterelemente des Unternehmens sind seit über einem Jahr im Einsatz, werden regelmäßig gereinigt, müssen aber nie ausgetauscht werden.
Laut Rappaport ist die Technologie des Unternehmens eine gute Option für die Behandlung von Abwasser mit einer hohen Konzentration organischer Moleküle. Da andere Filterwerkzeuge heute nicht verfügbar sind, wird solches Wasser heute mit Chemikalien wie Flockungsmitteln behandelt, die organische Stoffe aggregieren und in Schlamm verwandeln.
Ein Markt für ZwitterCo ist beispielsweise das Abwasser aus anaeroben Faulbehältern, die oft auf großen Milchviehbetrieben installiert sind und Methan aus verrottendem Mist gewinnen, um Strom zu erzeugen. Die Filterelemente von ZwitterCo konzentrieren die Feststoffe im verbrauchten Mistgemisch, dem sogenannten Gärrest, zu einem organischen Dünger, während das Wasser in den Prozess zurückgeführt wird.
Das Unternehmen arbeitet auch mit Abwässern aus der Fleisch-, Geflügel- und Milchindustrie. Durch Filtration können Lebensmittelverarbeiter Proteine, Öle und andere Nährstoffe zurückgewinnen, die Tierfutter oder Futtermitteln zugesetzt werden können. Bei der chemischen Aufbereitung werden solche potenziell nützlichen Stoffe als Abfall entsorgt. Das Wasser kann weitere Aufbereitungsschritte wie die Umkehrosmose durchlaufen und als Frischwasser wiederverwendet werden.
„Wenn man die Verschmutzung reduzieren und diese Fehlerart beseitigen könnte, könnte man die Filtration viel umfassender einsetzen.“
Alex Rappaport, CEO und Mitbegründer, ZwitterCo
Die Technologie von ZwitterCo entstand im Labor von Ayse Asatekin, Professorin für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Tufts University, die bereits Erfahrung mit der Kommerzialisierung von Wassermembranen hatte. 2011 war sie Mitbegründerin von Clean Membranes, einem Unternehmen, das auf Polyacrylnitrilmembranen basierte, die sie im Rahmen ihrer Doktorarbeit am Massachusetts Institute of Technology entwickelt hatte.
In Tufts führte Asatekin die Grundlagenforschung zu zwitterionischen Materialien durch und führte Labortests durch, um vorläufige Leistungsdaten zu gewinnen. Diese Arbeit sollte den Kern von ZwitterCo bilden.
Nach seiner Gründung im Jahr 2018 war ZwitterCo einer der Gewinner des mit 100 US-Dollar dotierten New Ventures-Wettbewerbs des Tufts Gordon Institute für einen Pitch von Rappaport zur Reinigung von Abwässern aus Öl- und Gasbohrungen.
ZwitterCo zog bald darauf Investitionen an. Das Unternehmen sowie Asatekins Labor erhielten 225,000 US-Dollar von der US-amerikanischen National Science Foundation, und das US-Energieministerium gewährte dem Unternehmen 1.25 Millionen US-Dollar, um die Reinigung von Abwasser aus der Öl- und Gasförderung zu erforschen. Abwasser aus der Öl- und Gasförderung ist in den USA ein großes Problem, da bei der Produktion eines Barrels Öl bis zu zehn Barrel Abwasser anfallen. Das Wasser wird normalerweise in Entsorgungsbrunnen eingeleitet.
Im Jahr 2021 erhielt das Unternehmen in einer Investitionsrunde unter der Leitung des Filtrationsspezialisten Mann+Hummel und der Risikokapitalgesellschaft R-Cubed Capital Partners 5.9 Millionen US-Dollar an Startkapital. Vor zwei Monaten schloss ZwitterCo eine Serie-A-Finanzierungsrunde in Höhe von 33 Millionen US-Dollar ab. Angeführt wurde die Finanzierungsrunde von der Risikokapitalgesellschaft DCVC, die auch das synthetische Biologieunternehmen Zymergen unterstützte, das später von Ginkgo Bioworks übernommen wurde.
Seit der Übernahme der Technologie von Asatekin hat ZwitterCo vor allem daran gearbeitet, sie als kommerzielles Produkt zu verpacken, die besten Anwendungsmöglichkeiten dafür zu ermitteln und sie zu skalieren, damit die Membranen effizient hergestellt werden können.
Bislang hat ZwitterCo 45 Millionen Dollar aufgebracht. Das Unternehmen beschäftigt mittlerweile 45 Mitarbeiter und hat seit 2021 16 kommerzielle Projekte abgeschlossen. Die installierte Modulbasis wird bis Ende des Jahres in der Lage sein, fast 4 Millionen Liter Wasser pro Tag zu reinigen.
