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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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Filtration
Was passiert bei einer 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.
Welche Arten von Filtration gibt es?
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.
Wo wird Filtration verwendet?
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.
Wie wird eine Filtration durchgeführt?
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.
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