Filtration

Kennst du das Gefühl, wenn du in einem Gericht eine besondere Zutat schmeckst, aber nicht sagen kannst, um was es sich dabei handelt? Chemiker*innen kennen dieses Gefühl definitiv. Um eine Substanz genaustens unter die Lupe nehmen zu können, benötigt man seine Reinform. Für viele Moleküle bedeutet das, dass sie vor einer näheren Analyse von dem sie umgebenden Rest getrennt werden müssen. Dafür gibt es verschiedene Verfahren, zu denen unter anderem auch die Filtration gehört, die du nun genauer kennenlernst.

Filtration – Definition und Ablauf

Die Filtration selbst gehört zu den mechanischen Trennmethoden. Konkret bedeutet das, dass diese Methoden aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften getrennt werden, ohne dass eine Umwandlung dieser erfolgt. Dazu gehört beispielsweise die Korngröße der einzelnen Stoffe oder die Trennung von festen und flüssigen Teilchen.

Mithilfe der Filtration werden nun meist Suspensionen getrennt. Dabei handelt es sich um einen Feststoff, der sich in einer Flüssigkeit befindet. Die Suspension wird insgesamt durch einen Filter gegen, der dann die festen Bestandteile zurückhält, während der flüssige Rest durchlaufen kann. Ein Filter kann zum Beispiel normales Filterpapier oder ein Textilgewebe sein. Die Art des Filter ist abhängig davon, wie und was gefiltert werden soll. Die verschiedenen Methoden dafür lernst du später in diesem Artikel noch kennen.

Abbildung 1: Aufbau der FiltrationsapparaturQuelle: seilnacht.com

In der Abbildung siehst du zwei verschiedene Papierfilter, die in den Trichter gelegt werden können. Die Suspension gießt du anschließend durch den Trichter. Im Filterpapier bleibt dann der sogenannte Rückstand erhalten, während die flüssige Phase durch den Trichter läuft. Man nennt diese filtrierte Version der Flüssigkeit auch Filtrat.

Bei einer Filtration ist besonders zu beachten, der dass Filterkuchen nicht überhand nimmt. Als solchen bezeichnet man die Schicht an zurückgehaltenen Partikeln, die sich während der Filtration bildet. Allerdings kann es so dazu kommen, dass die Filtration fast vollständig zum Erliegen kommt, wenn nicht ausreichend Flüssigkeit den Filterkuchen durchdringen kann. Spätestens in dieser Situation musst du den Rückstand abtragen oder den Filter wechseln.

Abbildung 2: Die Nutsche im Labor; Quelle: wikipedia.org

Im Labor wird für das Filtrieren selbst ein Gerät verwendet, das man Nutsche nennt. Dieses wird häufig in einen Erlenmeyerkolben gegeben und luftdicht verschlossen. In die Nutsche kommt ein Rundfilter, der den gewünschten Stoff zurückhält.

In der Abbildung siehst du außerdem, dass noch ein Schlauch an den Kolben angebracht wurde. Mithilfe verschiedener Apparaturen erzeugst du hiermit ein Vakuum. Der Kolben wird somit zur Saugflasche, denn es entsteht ein Unterdruck, der die Filtration beschleunigen soll.

Zusammenfassend lässt sich für die Filtration folgende Definition festhalten:

Die unterschiedlichen Verfahren einer Filtration

Die grundlegende Funktionsweise der Filtration, die du gerade kennengelernt hast, bleibt immer gleich. Die weitere Differenzierung kann allerdings durchaus kompliziert sein. Oftmals wird dabei nun dynamisch und statisch unterschieden. Zahlreiche Variationen ermöglichen dabei die beste Filtration für jede Situation.

Da es allerdings deutlich zu umfangreich wäre, alle Methoden vorzustellen, lernst du heute eine weitere Unterscheidung kennen, die sich vor allem mit dem Wirkrichtung beschäftigt: Dead-End-Filtration und Cross-Flow-Filtration.

Dead-End-Filtration

Diese Methode ist die wahrscheinlich am häufigsten verwendete Filtrationsmöglichkeit. Dabei fließt die Suspension geradewegs durch den Filter, wie es zuvor beschrieben wurde. Die folgende Abbildung führt dir das noch einmal genauer vor Augen. Die „Filter Surface“ meint in diesem Moment zum Beispiel das Filterpapier. Hier sind die Poren gekennzeichnet. Du siehst deutlich, dass nur ein paar der Teilchen durch diese Poren passen, während die größeren, gelben Teilchen zurückbleiben müssen.

Abbildung 3: Die Dead-End-FiltrationQuelle microdyn-nadir.com

Diese Filter müssen immer wieder gereinigt werden, um ihre Funktion aufrecht zu erhalten, da sich sonst irgendwann zu viele Partikel ansammeln und die Poren so verstopfen, dass selbst Wasser nicht mehr hindurch passt.

Cross-Flow-Filtration

Die zweite Variante, die du vorgestellt bekommst, ist die Cross-Flow-Filtration. Sie wird teilweise auch als Tangentialflussfiltration oder Querstromfiltration bezeichnet. Die Abbildung zeigt dir nun den Unterschied zur vorherigen Möglichkeit.

Abbildung 4: Die Cross-Flow-FiltrationQuelle: microdyn-nadir.com

Wie du siehst, strömt hier die zu filtrierende Suspension an einem Filter parallel vorbei statt direkt auf ihn zu. In diesem Fall wurde der Filter als Membran bezeichnet, da eine solche Filtration vorrangig an Membranen stattfindet. Das gilt auch für deinen eigenen Organismus.

Mithilfe von unter anderem Diffusion gelangen nun manche Partikel aus der Suspension durch die Membran. Die größeren Partikel bleiben entsprechend wieder zurück, werden durch den konstanten Fluss allerdings fortgespült, sodass keine Reinigung notwendig ist. Die Flüssigkeit im äußeren Bereich enthält die großen Partikel dadurch dann in konzentrierter Form.

Filtration – Anwendung

Zum Abschluss dieses Themas schaust du dir ein paar weitere Anwendungsbeispiele genauer an, in denen die Filtration eine wichtige Rolle spielt. Oftmals sind diese Anwendungen fachübergreifend zur Biologie.

Sterilfiltration

Die Sterilfiltration wird verwendet, um unerwünschte Mikroorganismen aus einem Medium zu entfernen. Dies eignet sich besonders für hitzeempfindliche Substanzen, aus denen die Mikroorganismen nicht durch Erhitzen eliminiert werden können.

Der verwendete Filter besitzt winzige Poren. Ziel ist es, jegliche Partikel zu entfernen, die größer als 0,2 µm sind. Für die meisten Mikroorganismen ist dieser Filter entsprechend ausreichend. Allerdings gibt es selbst hier Bakterien und Viren, die durch diese Filter passen beziehungsweise andere Mykoplasmen, die ihre Form ausreichend verändern, um die Poren durchqueren zu können. Eine vollständige Sterilisation wird demzufolge nicht erreicht.

Osmose und Umkehrosmose

Tatsächlich handelt es sich hierbei ebenfalls um eine Filtration. Während die Osmose automatisch geschieht, muss bei der Umkehrosmose mit Druck nachgeholfen werden. Die semipermeable Membran wirkt in diesem Augenblick als Filter, der nur die gesuchten Stoffe hindurchlässt und somit auf der einen Seite die Konzentration verringert, während auf der anderen Seite der Membran die Konzentration entsprechend erhöht wird.

Die Stoffe, die nicht innerhalb der Membran benötigt werden, verbleiben die ganze Zeit in ihrem flüssigen Medium. Dadurch wird in einem Organismus verhindert, dass manche Zellen nicht die Stoffe erhalten, die sie benötigen.

Saug- und Druckfiltration

Die letzten beiden Methoden, die du kennenlernst, sind eng miteinander verbunden. Sie unterscheiden sich grundlegend nur darin, wo der Druck wirkt. Wenn hinter dem Filter wie oben in der Abbildung ein Unterdruck entsteht, handelt es sich um eine Saugfiltration. Die gesuchte Lösung wird durch den Filter gesaugt. Dem gegenüber steht die Druckfiltration, bei der vor dem Filter ein Druck aufgebaut wird, der die Suspension schneller durch den Filter drückt.

Mithilfe beider Methoden wird die Ausbeute erhöhte. Allerdings können bei beiden Methoden schnell Probleme entstehen, wenn der Filter dem Druck nicht gewachsen ist. Daher muss immer beachtet werden, dass die Druck nicht zu groß wird, damit der Filter weder reißt noch Partikel zusätzlich den Filter gequetscht werden, die sonst nicht durchgekommen wären.