Membranfilter
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.
Kalkschutz- Filterpatronen dienen der Verhinderung von Kalkablagerungen an Rohren, Armaturen, Küchen- und Heizgeräten.
Die Kalkschutzfilterpatonen beinhalten ein Granulat mit katalytischer Wirkung zur Modifikation der im Wasser gelösten Kalkbestandteile so, dass der Kalk sich nicht an den Behälterwänden, Heizelementen usw. ablagert. Der Wirkungsmechanismus des Kalk-Katalysator-Granulates liegt in der Bildung von Impfkristallen aus einem Teil der kalkbildenden Bestandteile des Wassers. Die Impfkristalle werden ab einer bestimmten Größe (ca. 10 µm) von der Granulatoberfläche durch den Wasserstrom abgerissen und werden frei schwebend im Wasser mitgeführt. Bei Vorliegen der Bedingungen zur Kalkbildung dienen diese Impfkristalle als Ausgangspunkt für die Kalk- Kristallbildung. Der Großteil der Kalkkristalle wird mit dem Abwasser ausgespült. Auf Arbeitsflächen, Armaturen, Kacheln, Duschabtrennungen, Waschbecken sowie an Rändern von Duschköpfen und Strahlreglern verbleiben nach dem Verdunsten die Kalkteilchen in lockerer Ablagerung. Es wird empfohlen, diese mit einem Microfasertuch oder Haushaltsschwamm zu entfernen. Innerhalb von ein bis zwei Tagen können Sie leicht weggewischt werden. Aggressive Reinigungsmittel sind hierfür nicht notwendig.
Membranfilter Patronen
Mit den Nur-Membran-Filterpatronen bieten sich Filtrationsmöglichkeiten, bei denen höchste mechanische Rückhaltewerte von 0,15 µm absolut gefordert sind, insbesondere Bakterienrückhaltung. Geschmacksbildende Mineralien bleiben im Filtrat erhalten.
Ionnenaustausch Patronen
Die in den Kartuschen verwendeten Ionenaustauscherharze entfernen selektiv spezielle Stoff-Ionen wie Kalkbildner, Nitrat, Fluorid u.a. . Sie sind jeweils nur für die benannten Stoffe wirksam. Dabei werden dem Eingangswasser (Rohwasser) die jeweiligen Ionen (Nitrat, Magnesium, Calzium, Karbonat, …) entnommen und gegen andere Ionen ausgetauscht (Natrium Na+, Wasserstoff H-). Die Entnahme erfolgt so lange, bis alle für den Ionenaustausch zur Verfügung stehenden Bindungsplätze auf der Harz-Oberfläche besetzt sind. Danach geht das Eingangswasser ohne Stoffentnahme durch. Das Harz muss ausgetauscht oder regeneriert werden.
Wir bieten sowohl regenerierfähige Patronen als auch Nachfüll-Lösungen an, beide sind alternativ verwendbar.
Unter Membranprozessen werden folgende Verfahren zusammengefasst:
- Mikrofiltration (MF)
- Ultrafiltration (UF)
- Nanofiltration (NF)
- Umkehrosmose (RO)
Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen sind rein mechanisch wirkende «Feinsiebe». Diese Feinsiebe bestehen aus porösen, künstlich hergestellten Folien – sog. Membranen – mit jeweils exakt definierten Porendurchmessern. Die Trennschichten werden auf sogenanntes Trägermaterial aufgebracht. Als Trägermaterial kommen Polymere oder Keramik zum Einsatz. Membranfiltrationstechniken werden für die unterschiedlichsten Anwendungen im Bereich der Wasseraufbereitung – oft in Kombination mit klassischen Verfahren – eingesetzt.
Bei der Nanofiltration und Umkehrosmose werden dichte, diffussionsoffene Membranen eingesetzt. Bei diesen Prozessen erfolgt der Trennvorgang durch Diffussion durch die Membrane hindurch. Triebkraft ist in allen Fällen der Differenzdruck. Während bei der Mikro- und Ultrafiltration Differenzdrücke bis zu 2 bar erforderlich sind, erfordert die Niederdruck-Nanofiltration Differenzdrücke bis zu 8 bar und die Umkehrosmose bis zu 60 bar.