Das machen Membranen aus PVDF und PTFE

Die Filtration ist ein essentielles Verfahren, um feste Bestandteile aus Flüssigkeiten und Gasen abzutrennen. In zahlreichen Filtrationsanwendungen der Biotechnologie, der pharmazeutischen Industrie oder des Lebensmittel- und Getränkebereichs kommen Filtermembranen zum Einsatz. Die Membranfiltration ist im Vergleich zu energetisch aufwändigeren Trennverfahren, wie dem Umkristallisieren und der Destillation, besonders schonend und einfach anzuwenden. Diese Vorteile spielen Membranfilter vor allem in biotechnologischen und pharmazeutischen Anwendungen aus: Da bioaktive Wirkstoffe und Proteine den Belastungen gängiger Abtrenn- und Reinigungsverfahren der klassischen, präparativen Chemie oft nicht standhalten und denaturieren, sind stoffschonende Filtrationstechniken laut Reichelt Chemietechnik vorzuziehen, wie die mittels Filtermembranen.

Die Filtration beschreibt allgemein ein mechanisch-physikalisches Verfahren, mit dessen Hilfe feste Partikel aus Suspensionen oder auch heterogenen Gasgemischen abgetrennt werden können. Das Trennungsprinzip ist, so Reichelt, simpel: Das zu filtrierende Medium passiert eine dünne, mikroporöse Membran, deren Durchlässigkeit von der Größe ihrer Poren abhängt, ganz analog zu der Maschenweite gewöhnlicher Siebe oder Siebgewebe. Feststoffteilchen oder Kolloidalteilchen, die kleiner als die jeweiligen Poren der Membran sind, durchlaufen die Membran, während größere zurückgehalten werden.

Die filtrierte Flüssigkeit nennt man Filtrat, den zurückgehaltenen Feststoff Filterkuchen. Analog dazu wird bei Gas-Feststoff-Gemischen das den Filter durchströmte Gas Permeat oder Reingas genannt, die abgetrennten festen Partikel Retentat.

Die Verwendung von Membranfiltern, die auch als Filtermembranen oder Rundfilter bezeichnet werden, ist eine häufig eingesetzte Filtrationstechnik in der Biotechnologie und angrenzenden Disziplinen. Neben der Porengröße ist auch die Ausführung der Membranfilter ein wichtiger Parameter. Hier kennt man unter anderem Filterkerzen oder Membrankartuschen, Vorfilter und Filterhalter, Mikro-Titerplatten für das High-Throuput-Screening (HTS) oder Filter in Zentrifugenröhrchen. In ihrer einfachsten Ausführung handelt es sich jedoch um einfache, poröse Membranscheiben, wie Rundfilter aus PTFE oder Rundfilter aus PVDF.

Am Markt findet sich eine große Auswahl unterschiedlicher Filtermembranen zur Mikrofiltration im Labor und in der Industrie. In Abhängigkeit von den abzutrennenden Partikeln und dem Lösungsmittel kommen verschiedene Materialien zum Einsatz. Geläufig sind etwa Cellulosenitrat-Membranen (CN), Celluloseacetat-Membranen (CA), Glasfasermembranen, PES-Membranfilter, PSU-Membranfilter, Polymer-Membranen oder Polycarbonat-Membranfilter.

Polycarbonat-Filtermembranen nehmen in der Separationstechnik dank ihrer eng definierten Porengrößen und hohen Durchflussraten eine gewichtige Rolle ein, aber auch Cellulosenitrat und Celluloseacetat sind häufig verwendete Membranfiltermaterialien mit einem sehr breiten Anwendungsspektrum.

Für besonders anspruchsvolle Anwendungen, bei denen etwa hohe Anforderungen an die chemische Beständigkeit gestellt werden, kommen Membranen aus den Fluorkunststoffen Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) zum Einsatz. Gerade der vielseitig einsetzbare Kunststoff PTFE sticht laut Hersteller durch seine äußerst hohe chemische Stabilität und thermische Beständigkeit im Bereich von -200 bis +260 °C hervor. Er ist zudem autoklavierbar, chemisch sterilisierbar und physiologisch vollkommen unbedenklich, so Reichelt. Diese Eigenschaften sollen PTFE als Werkstoff nicht nur für Membranen, sondern auch für poröse Sinterplatten und Sinterrohre prädestinieren, die ebenfalls zur Filtration von flüssigen und gasförmigen Medien herangezogen werden können.

PTFE-Rundfilter werden sowohl aus gesintertem wie auch aus gerecktem PTFE angeboten. Durch den Prozess des Sinterns entstehen im Werkstoff kleine Hohlräume oder Poren. Sie gewährleisten einen Flüssigkeits- oder Gasstrom durch das Material und sind daher entscheidend für den Filtrations- oder Begasungsvorgang. Zur Herstellung gereckter PTFE-Membranen wird das Polymer bei hoher Temperatur mono- oder biaxial gestreckt, wodurch sich die ungeordneten Molekülketten und teilkristalline Bereiche parallel zur Zugrichtung ausrichten und mikroskopisch kleine Poren entstehen. Das anschließende kontrollierte Abkühlen unter Spannung führt zu einer homogenen, wabenartigen Porenstruktur mit hervorragenden Filtrationseigenschaften. so der Hersteller. In der Feinfiltration und Sterilfiltration werden PTFE-Membranen und PVDF-Rundfilter – sowohl in hydrophilen als auch hydrophoben Ausführungen – bevorzugt eingesetzt, wenn es sich bei den zu filtrierenden Medien um besonders aggressive Stoffe handelt oder falls Gase gereinigt werden müssen.

Filtermembranen werden in vielen Anwendungsfällen der pharmazeutisch-chemischen Industrie, der Lebensmittelindustrie und im Bereich Trinkwasseraufbereitung eingesetzt. In der Biochemie werden sie nicht nur zur Sterilisation oder Aufkonzentrierung – etwa von Makromolekülen wie Proteinen – verwendet, sondern auch für die Feinfiltration von Lösungsmitteln und Puffern für die Hochleistungs-Analytik. Hintergrund sind hier die hohen Anforderungen von HPLC- oder UHPLC-Analysesystemen: Damit die äußerst feinen Kapillarleitungen nicht verstopft und die sensiblen Sorbentien nicht inaktiviert werden, bedarf es extrem sauberer, partikelfreier Lösungen.

Zu erwähnen ist an dieser Stelle auch die Möglichkeit, mehrere Membranfilter unterschiedlicher Porengrößen hintereinander zu schalten. Eine solche Anordnung verspricht, Partikel mit variierenden Größen abzutrennen und zu fraktionieren. In einem ersten Schritt werden etwa grobe Schmutz- und Schwebeteilchen mittels Vorfilter abgetrennt, in nachfolgenden Stufen werden die Porengrößen der Membranfilter schrittweise verringert, um am Ende die Lösung in der gewünschten Reinheit zu erhalten. So kann laut Angaben des Herstellers die vorzeitige Verstopfung feinporiger Filtermembranen reduziert werden.