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Filtration

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Chemie

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.

Wenn hier von Umwandlungen die Rede ist, dann meint das die Änderung des Aggregatzustands oder eine chemische Reaktion. Diese Methoden zählen entsprechend zu den chemischen Trennmethoden.

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.

Filtration Definition Aufbau Filtrationsapparatur StudySmarterAbbildung 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.

Die Wirkung des Filter erfolgt nicht nur bezogen auf die Größe der Partikel in Relation zur Porengröße. Oftmals spielen sowohl Partikelträgheit als auch Diffusion und Elektrostatik eine wichtige Rolle, um teilweise sehr kleine Partikel zurückzuhalten, die sonst leicht durch die Poren gepasst hätten.

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.

Filtration, Definition Nutsche im Labor, StudySmarterAbbildung 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 Filtration ist eine Trennmethode für Suspensionen, bei der mithilfe eines Filters, zum Beispiel Filterpapier, die feste Phase von der flüssigen Phase getrennt wird. Der Vorgang ist rein mechanisch und kann durch Partikelträgheit, Diffusion und Elektrostatik beeinflusst werden. Mithilfe von Druck kann die Filtration beschleunigt werden.

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.

Filtration, Trennverfahren Dead-End-Filtration, StudySmarterAbbildung 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.

Ein alltägliches Beispiel für eine solche Filtration ist der Kaffeefilter. Das grobe Pulver bleibt hier zurück, während die charakteristischen Aromen zuerst mit heißem Wasser extrahiert werden und dann durch den Filter gespült werden. Im Anschluss erhältst du deinen Kaffee ohne Pulver.

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.

Filtration, Cross-Flow Filtration, StudySmarterAbbildung 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.

Zur besseren Anschauung für dich nimmst du dir am besten ein Beispiel aus der Biologie, das auch dich selbst betrifft. Täglich fließt dein Blut durch den Organismus und versorgt dich mit Sauerstoff. Dabei handelt es sich um eine eben solche Filtration.

Sauerstoff (O2) ist klein genug, um durch die Poren in das umliegende Gewebe zu gelangen. Kohlenstoffdioxid (CO2) ist klein genug, um von dem Gewebe ins Blut zu gelangen. Allerdings sind beispielsweise Erythrozyten und andere Bestandteile viel zu groß, um durch diese winzigen Poren zu gelangen. Dein Blut wird in dieser Hinsicht filtriert.

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.

Denk dafür am besten zurück an das Beispiel mit dem Blut. Hier werden zahlreiche Stoffe transportiert, die möglichst an ihr Ziel kommen sollen. Ohne Filtration wäre es nicht möglich, dass diese gezielt dort landen, wo sie am Ende auch wirken.

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.

Umso wichtiger ist die richtige Auswahl des Filters. Für Hochdruckfilter reichen Papierfilter beispielsweise nicht. Dafür werden zum Beispiel engmaschige Drahtfilter verwendet, die

Filtration - Das Wichtigste auf einen Blick

  • Die Filtration erfolgt meist für Suspensionen. Dabei wird die feste Phase von der flüssigen Phase getrennt.
  • Beeinflussen wirken Partikelträgheit, Diffusion und Elektrostatik. Die Filtration kann durch Druck beschleunigt werden.
  • Man unterscheidet in der Filtration die Dead-End-Filtration und die Cross-Flow-Filtration. Unterschieden wird nach der Fließrichtung des zu trennenden Gemischs.
  • Die Cross-Flow-Filtration findet hauptsächlich an Membranen statt.
  • Bei der Sterilfiltration werden Mikroorganismen eliminiert, um die Sterilität einer Zellkultur garantieren zu können.
  • Osmose und Umkehrosmose sorgen dafür, dass aus einer interzellularen Flüssigkeiten die wichtigsten Stoffe in die Zelle filtriert werden.
  • Saug- und Druckfiltration findet man hauptsächlich im Labor, um die Filtration zu beschleunigen.

Filtration

Bei einer Filtration werden meist Suspensionen getrennt. Dabei wird das ursprüngliche Gemisch durch einen Filter gegeben, der die festen Bestandteile herausfiltert und von der Flüssigkeit abtrennt. Es entstehen ein Rückstand und ein Filtrat. 

Grundlegend unterscheidet man eine Dead-End-Filtration und eine Cross-Flow-Filtration, abhängig von der Fließrichtung. Bei einer Dead-End-Filtration fließt die Suspension senkrecht zum Filter, während sie bei einer Cross-Flow-Filtration parallel zur Filtermembran fließt. 

Die Filtration findet ihre Anwendung zum Beispiel als Sterfilfiltration, um Mikroorganismen aus einem Medium zu entfernen. Weiterhin ist eine Osmose bzw. eine Umkehrosmose ebenfalls eine Filtration, da nur bestimmte Stoffe in die Zelle gelangen. Im Labor wird sie verwendet, um Stoffgemische zu reinigen. 

Zuerst wird eine Suspension in einen Trichter gegeben. In diesem befindet sich ein Filterpapier, das extra an den herauszufilternden Stoff angepasst ist. Der Trichter wird im Labor auch als Nutsche bezeichnet. Die Flüssigkeit läuft hier einfach durch, während der feste Rest als Rückstand zurück bleibt.

Finales Filtration Quiz

Frage

Zu welcher Art der Trennmethoden gehört die Filtration? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Filtration ist Teil der mechanischen Trennmethoden, das heißt, dass die Teilchen in umgewandelt werden müssen wie bei einer Aggregatzustandsänderung. 

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Frage

Welche Art Gemische werden mithilfe der Filtration getrennt? 

Antwort anzeigen

Antwort

Es werden damit heterogene Gemische getrennt, hauptsächlich Suspensionen. 

Frage anzeigen

Frage

Welche zwei Arten von Papierfiltern gibt es? 

Antwort anzeigen

Antwort

Man unterscheidet einen gefalteten Rundfilter und einen Faltenfilter. 

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Frage

Wie nennt man die filtrierte Flüssigkeit? 

Antwort anzeigen

Antwort

Diese Flüssigkeit wird als Filtrat bezeichnet, nachdem sie die Filtration durchlaufen hat. 

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Frage

Welche Effekte können die Filtration beeinflussen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Zu diesen Effekten zählen vor allem: 

  • Partikelträgheit
  • Diffusion
  • Elektrostatik. 
Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Filterkuchen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Als Filterkuchen bezeichnet man die Schicht an zurückgehaltenen Partikeln, die sich während der Filtration bildet. 

Frage anzeigen

Frage

Wie heißt das Laborgerät, das für die Filtration verwendet wird? 

Antwort anzeigen

Antwort

Dabei handelt es sich um eine Nutsche. 

Frage anzeigen

Frage

Welche zwei Verfahren einer Filtration unterscheidet man? 

Antwort anzeigen

Antwort

Man unterscheidet hauptsächlich die Dead-End-Filtration und die Cross-Flow-Filtration. 

Frage anzeigen

Frage

In welche Richtung fließt die Suspension bei einer Dead-End-Filtration? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Suspension fließt senkrecht zum Filter. Dadurch bildet sich der Filterkuchen. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist bei einer Dead-End-Filtration bezüglich des Filters zu beachten? 

Antwort anzeigen

Antwort

Der Filter muss ständig gereinigt werden, um die Funktion aufrecht zu erhalten, da sonst der Filterkuchen die Poren verstopft. 

Frage anzeigen

Frage

Welches alltägliche Beispiel entspricht der Dead-End-Filtration? 

Antwort anzeigen

Antwort

Der Kaffeefilter ist ein Beispiel für die Dead-End-Filtration. Zuvor werden die Aromen extrahiert und dann mit dem heißen Wasser durch den Filter gespült, während das grobe Pulver zurückbleibt. 

Frage anzeigen

Frage

​In welche Richtung fließt die Suspension bei einer Cross-Flow-Filtration?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Suspension läuft in diesem Fall parallel zum Filter. Die Filtration erfolgt mithilfe von Diffusion. 

Frage anzeigen

Frage

Wo findet man hauptsächlich eine Cross-Flow-Filtration? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Cross-Flow-Filtration findet hauptsächlich an Membranen statt, die semipermeabel sind. 

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die Cross-Flow-Filtration noch genannt? 

Antwort anzeigen

Antwort

Man bezeichnet sie unter anderem auch als Tangentialflussfiltration oder Querstromfiltration. 

Frage anzeigen

Frage

Was wird bei einer Sterilfiltration getrennt? 

Antwort anzeigen

Antwort

Ziel der Sterilfiltration ist es, Mikroorganismen aus einem Medium zu eliminieren. Dabei werden alle Partikel entfernt, die größer als 0,2µm sind. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Probleme entstehen bei der Sterilfiltration? 

Antwort anzeigen

Antwort

Problematisch bei dieser Art der Filtration ist, dass manche Bakterien kleiner als 0,2µm sind und deshalb durch den Filter passen. Das Gleiche gilt für Mykoplasmen, die dann die Kul

Frage anzeigen

Frage

Was ist notwendig, damit eine Umkehrosmose erfolgen kann? 

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Umkehrosmose ist eine Osmose entgegen der natürlichen Fließrichtung. Damit sie erfolgen kann, ist Druck notwendig. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Saugfiltration? 

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einer Saugfiltration wird mithilfe einer Nutsche und einer Saugflasche ein Unterdruck erzeugt, der die gesuchte Lösung durch den Filter saugt. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Druckfiltration? 

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einer Druckfiltration wird vor dem Filter ein Druck aufgebaut, der die Funktion schneller durch den Filter schiebt. Problematisch ist dabei, dass ungewollte Teilchen den Filter leichter passieren können. 

Frage anzeigen

Frage

Wann wird eine Sterilfiltration angewendet? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Sterilfiltration wird für hitzeempfindliche Substanzen angewendet, bei denen die Mikroorganismen nicht durch Erhitzen eliminiert werden können. 

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