Probenvorbereitung durch Filtration

Je nach angewandtem Filterverfahren werden Partikel oder Moleküle anhand von Eigenschaften wie Größe, Form oder Ladung abgetrennt. Die Flüssigkeit, die den Filter passiert, wird als „Filtrat“ bezeichnet, während das aufgefangene oder zurückgehaltene Material als „Retentat“ oder „Rückstand“ bezeichnet wird.

• Bei der Umkehrosmose (Ionentrennung) werden Ionen oder Moleküle mithilfe einer semipermeablen Membran oder Barriere getrennt. Der angelegte Druck überwindet den osmotischen Druck und zwingt das Lösungsmittel, sich von einer hohen zu einer niedrigen Konzentration an gelösten Stoffen zu bewegen. Die Umkehrosmose hält einen hohen Anteil an organischen Stoffen (mit Ausnahme von Partikeln) sowie >99 % der Salze zurück. Die typische Membranleistung basiert auf der Rückhaltung von Natriumchlorid (<0,001 µm, <100 Dalton).
• Die Ultrafiltration (Makromolekülseparation) trennt Partikel und gelöste Moleküle anhand ihrer Partikelgröße aus Flüssigkeiten. Die Ultrafiltration wird zur Konzentration, Fraktionierung, Entsalzung und zum Pufferaustausch eingesetzt. Die typische Nennleistung ist eine nominelle Molekulargewichtsgrenze (NMWL) zwischen 1 und 1000 kDa.
• Die mikroporöse Filtration (Mikrofiltration) wird zur Partikelrückhaltung/-ausschluss und zur Sterilisation eingesetzt, da sie Partikel und biologische Einheiten wie Bakterien und Zellen anhand der Partikelgröße trennt bzw. entfernt. Die Porengrößen liegen typischerweise zwischen 0,025 und 10 µm und werden als nominal (~98 % Rückhaltung) oder absolut (100 % Rückhaltung von Partikeln, deren Größe der angegebenen Porengröße entspricht) angegeben.
• Klärfilter werden zur Vorfiltration und Partikelanalyse eingesetzt, da sie große Partikel, Aggregate und Ablagerungen anhand ihrer Größe zurückhalten bzw. entfernen. Sie können als primärer Filtrationsschritt vor der Mikrofiltration verwendet werden. Klärfilter haben typischerweise Porengrößen von >5 µm.

Gängige Filtrationsanwendungen

• Allgemeine Partikelentfernung
• Probenvorbereitung für analytische Verfahren wie HPLC, UHPLC, Ionenchromatographie, Gaschromatographie und Auflösungsprüfungen
• Sterilisation von Zellkulturzusätzen
• Konzentration von Proteinen, Nukleinsäuren und Polymeren
• Trennung von Biomolekülen innerhalb einer Probe
• Herstellung von Puffern
• Wasseraufbereitung

Die Filtration ist ein wesentlicher Schritt der Probenvorbereitung vor empfindlichen chromatographischen Analysen wie HPLC und LC-MS. Partikel in Proben können Flüssigkeits-, Gas- und Ionenchromatographie-Analysen stören, indem sie Säulen oder Säulenköpfe verstopfen oder Kontaminationspeaks („Geisterpeaks“) auf Chromatogrammen erzeugen. Eine ordnungsgemäße Filtration von Proben, Lösungsmitteln und Puffern führt zu qualitativ hochwertigeren und konsistenteren Analyseergebnissen. Außerdem erhöht sie die Betriebszeit der Geräte und verlängert die Lebensdauer der Säulen.

Arten von Filtrationsverfahren und -prozessen

Es gibt viele Filter mit unterschiedlicher Zusammensetzung der Filtermedien, die jeweils für bestimmte Anwendungen ausgelegt sind. Die Filterauswahl hängt von mehreren Faktoren ab, darunter:

• Größe der Partikel oder Moleküle, die zurückgehalten oder durchgelassen werden sollen
• Chemische Zusammensetzung der Probe
• Kompatibilität des Filtermediums mit der Probe oder Lösung
• Viskosität der Probe

Filter können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, wie beispielsweise Papier, Stoff, Watte, Asbest, Schlacke- oder Glaswolle, unglasiertem Steingut, Sand oder anderen porösen Materialien. Membranfilter bestehen in der Regel aus synthetischen Polymeren (z. B. hydrophilisiertem PTFE, PVDF, Nylon, PES).

Zur Förderung des Filtrationsprozesses können verschiedene Kräfte eingesetzt werden. Die Filtration kann durch einfache Schwerkraft unter Verwendung eines Filters und eines Trichters, manuell wie bei der Spritzenfiltration oder durch Zentrifugalkraft erfolgen. Bei der vakuumbetriebenen Filtration wird eine Vakuumpumpe verwendet, um die Flüssigkeit schnell durch einen Filter zu saugen.