Membranfilter

« Grundlage der Separationstechnik im Labor »

Im Labor ist die Filtration eine häufig genutzte Technik. Werden Membranfilter eingesetzt, handelt es sich dabei um eine sehr schonende und einfach anzuwendende Methode. Damit ist sie anderen Trennverfahren, wie Destillation oder Umkristallisation, überlegen – vom energetischen Aufwand, von der Einfachheit der Anwendung und von der schonenden Arbeitsweise. Letzteres ist vor allem für biochemische oder pharmazeutische Anwendungen wichtig, da beispielsweise Proteine und Wirkstoffe in Medikamenten sehr hitzeempfindlich sein können.

Filter

Die Filtration ist eines der gängigsten Verfahren, um feste Teilchen in einer Flüssigkeit abzutrennen. Unser Boden ist der größte natürliche Filter, an dessen Ende sich sauberes Grundwasser ansammelt, nachdem es unterschiedliche Bodentypen durchlaufen hat, die die verschiedenen Bestandteile zurückgehalten haben, wie Schwebstoffe und auch Schadstoffe. Ein etwas banaleres Beispiel ist der „Filterkaffee“.

In vielen Bereichen der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie, im Lebensmittel- und Getränkebereich, in der Biotechnologie oder in Trinkwasseraufbereitungsanlagen werden Membranfilter zur Filtration eingesetzt.

Das Prinzip der Membranfiltration

Das Prinzip hinter einem Membranfilter ist denkbar einfach: die zu filtrierende Lösung wird durch eine dünne, mikro-poröse Membran geschickt, deren Durchlässigkeit von der Größe der Poren abhängt, vergleichbar mit der Maschenweite gewöhnlicher Siebe. Teilchen, die kleiner als die jeweiligen Poren eines Filters sind, passieren die Membran, während größere zurückgehalten werden.

Weitere Variablen neben der Porengröße sind das Material, welches für die Filter verwendet wird und die Ausführung. In der einfachen Ausführung liegen Membranfilter als einfache Membranscheiben vor, durch die die zu filtrierende Flüssigkeit unter Druck hindurchgesaugt oder gedrückt wird. Sie können aber auch als Membrankartuschen oder Filterkerzen, in Zentrifugenröhrchen oder als Mikro-Titerplatten für das High-Throuput-Screening (HTS) in 96-well plates vorliegen. Der technischen Ausführung der Membranfilter sind hier fast keine Grenzen gesetzt.

Als Materialien für Membranfilter werden, je nach Anwendung, die verschiedensten Materialien eingesetzt. So beispielsweise hydrophobes PVDF, Cellulosenitrat, Celluloseacetat, Nylon oder PES und PTFE. Die Auswahl des Materials richtet sich danach, was getrennt werden soll und in welchem Lösungsmittel die Teilchen vorliegen. So werden PVDF- und PTFE-Membranen eher für Spezialfälle zur Anwendung kommen, wenn chemische Stabilität gefragt ist oder Gase gereinigt werden müssen.

Cellulosenitrat und Celluloseacetat sind dagegen die „Membranfilter-Klassiker“ unter den Membranfiltermaterialien mit einem sehr breiten Anwendungsspektrum.

Die Porengröße entscheidet über die Anwendung

Je nach Porengröße werden die verschiedenen Membrantechniken eingeteilt in

• Mikrofiltration
• Ultrafiltration
• Nanofiltration

Mikrofiltration

Von Mikrofiltration spricht man bei einer Porengröße zwischen 5 µm und 0,1 µm. Bei einer Porengröße von 0,1 µm bis 0,2 µm können Hefen und Bakterien abgetrennt werden, weswegen sie gerne als sanfte und schnelle Sterilisationsmethode, vor allem in der mikrobiologischen Forschung, genommen wird. Bekannt sind hier beispielsweise die sogenannten Spritzenvorsatzfilter, mit denen bereits im kleinen Maßstab verschiedene Lösungen steril filtriert werden können und die vor allem in der Forschungsarbeit zum Einsatz kommen.

Im großtechnischen Maßstab wird diese Membrantechnik in Form von sogenannten Filterkerzen vor allem im Lebensmittel- und Getränkebereich eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete finden sich beispielsweise in der Biotechnologie für das „Ernten“ und Abtrennen von Bakterien nach der Wachstumsphase in Bioreaktoren, der Abwasserbehandlung oder auch bei der Trennung von Wasser-Öl-Emulsionen. Für diese Art der Filtration ist nur ein geringer Druck von unter 2 bar erforderlich.

Ultrafiltration

Die Ultrafiltration kommt zur Anwendung, wenn Makromoleküle aufkonzentriert werden sollen – das Filtrationsprinzip wird hier also umgekehrt. Die eingesetzten Membranfilter haben hier eine Porengröße zwischen 0,1 µm und 0,01 µm. Da diese Technik vor allem verwendet wird, um Proteine aufzukonzentrieren, spricht man hier nicht von der Porengröße, sondern vom sogenannten „Molecular Weigth Cut Off“ (MWCO) oder auch „Nominal Molecular Weight Cut Off“ (NMWC), welcher in der SI-Einheit Dalton angegeben wird. Der MWCO-Wert gibt die minimale Molekülmasse eines globulären Moleküls an, das noch durch die Membran zurückgehalten wird. Um auf der sicheren Seite zu sein, sollte man den MWCO-Wert immer so wählen, dass er mindestens 20 % über der Molmasse des gewünschten, abzutrennenden Makromoleküls liegt. Schließlich ist es bei dieser Technik notwendig, einen äußeren Druck anzulegen, der normalerweise zwischen 1-10 bar liegt.

Man kann aber auch die Zentrifugalkraft nutzen. Hierfür kommen Zentrifugenfilter zum Einsatz, spezielle Zentrifugenröhrchen mit einem passgenauen Einsatz, der am Boden in einer Membran mit definiertem MCWO-Wert endet und mit der zu filtrierenden Lösung befüllt wird. Beim Zentrifugieren wird die Lösung durch den Membranboden des Einsatzes in das Zentrifugenröhren gedrückt. Die Makromoleküle, die zu groß sind, bleiben zurück. Es gibt also verschiedenste Ausführungen, sowohl im kleinen wie auch im großen Maßstab, um diese Membrantechnik für die eigenen Zwecke zu nutzen. Eine Variante ist noch die sogenannte Diafiltration. Dies ist eine Kombination aus Dialyse und Filtration und wird für den Austausch von Pufferlösungen genutzt oder um die Konzentration von Salzen in Lösung zu ändern. Großtechnisch arbeiten Trinkwasseraufbereitungsanlagen mit dieser Membrantechnik.

Nanofiltration

Die Nanofiltration schließlich nutzt Membranfilter mit einer noch kleineren Porengröße, die bei < 0,005 µm liegt. Sie dient dazu, kleine organische Moleküle und Salze, zum Beispiel Schwermetallionen, zurückzuhalten. Hierfür wird ein äußerer Druck benötigt, der zwischen 10 bar und 80 bar liegt. Diese Membrantechnik wird hauptsächlich in der Abwasserbehandlung zur Schadstoffrückhaltung eingesetzt, aber auch in der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie zur Abtrennung und Aufbereitung von Wertstoffen.

Die Stärke der Filtration liegt in Einfachheit und Anwendungsbreite

Nicht nur für Sterilisation oder Konzentrierung können Membranfilter angewandt werden. Sehr häufig werden sie, oftmals in Form von Membranscheiben, für die Fein-Filtration von Lösungsmitteln und Puffern verwendet. Für viele Analysengeräte, zu denken ist hier beispielsweise an HPLC- oder UHPLC-Systeme, werden extrem saubere bzw. partikelfreie Lösungen benötigt, um Kapillarleitungen nicht zu verstopfen und die sensiblen, hochporösen Sorbentien nicht zu inaktivieren. Damit ist gerade diese vielleicht auf den ersten Blick einfache und banale Technik für die heutige Hochleistungs-Analytik sehr wichtig und nicht wegzudenken.

Schließlich liegt die Stärke der Filtration noch darin, dass sie „hintereinandergeschaltet“ werden kann. Membranfilter mit unterschiedlichen Porengrößen können dazu genutzt werden, um Teilchen verschiedener Größen voneinander abzutrennen und zu fraktionieren. So können Vorfilter genutzt werden, um Schmutz- und Schwebeteilchen abzutrennen. In nachfolgenden Stufen kann die Porengröße der Filter schrittweise weiter verringert werden, um am Ende die gewünschte Reinheit der Lösung zu erhalten oder ein gewünschtes Makromolekül anzureichern.

Die auf den ersten Blick vermeintlich einfache Technik der Filtration zeigt also großes Potenzial und kann – richtig genutzt – so manch anderen, aufwändigeren (Auf)reinigungsschritt wirkungsvoll ersetzen.