Filter ist eben nicht gleich Filter

Mit der heute großen und oft verwirrenden Auswahl an Mikrofiltrationsmembranen ist es gar nicht leicht, die richtige Auswahl zu treffen. Unterschiede gibt es nicht nur im Material, sondern auch in der Porengröße und im Durchmesser der Membran. Doch es gibt einige Regeln und Kniffe, die hier weiterhelfen.

Thermo Scientific, respektive Nalge Nunc International, war der erste Hersteller für kommerziell produzierte Medienfiltereinheiten.
Heute enthält die Produktlinie Filtereinheiten mit einer breiten Palette an Membranen, inklusive PES, SFCA, CN und Nylon, und einer Vielzahl von Membrandurchmessern.

Mikrofiltrationsmembranen gibt es heutzutage in Hülle und Fülle. Daraus die für die jeweilige Applikation geeignete herauszusuchen, ist mitunter nicht ganz einfach. Dennoch gibt es keinen Grund zu verzweifeln – vorausgesetzt man kennt ein paar grundsätzliche Regeln, die den Entscheidungsprozess vereinfachen.

Die Porengröße ist eine wichtige Kenngröße von Filtrationsmembranen.
Wenn das Filtrat steril sein soll, so darf sie nicht größer als 0,2 μm sein.
Für eine (nicht sterile) Reinigung oder Klarfiltration von Medien oder Reagenzien genügt meistens eine 0,45 μm Porengröße. Hier ist dann auch die Durchflussrate größer und somit der Durchsatz höher, weil die größeren Poren eine geringere Tendenz zum Verstopfen aufweisen. Wer Wert auf ein Mykoplasmen freies Medium legt, verwendet die Filtereinheiten mit 0,1 µm Porengröße.

Problem verstopfter Filter

Verstopfen ist das am weitesten verbreitete Problem in der Filtration von Gewebekulturmedien. Dies ist besonders der Fall bei hohen Konzentrationen von Serum im Basismedium, welches ein besseres Zellwachstum ermöglicht. Dieses Problem kann gemindert werden, indem eine Filtereinheit mit aPES- (asymmetrischer Polyethersulfon) oder SFCA (Netzmittelfreie Celluloseacetat) -Membran verwendet wird. Beide haben eine geringe Proteinbindung und bieten sehr hohe Durchflussraten, wobei die aPES-Membran noch bessere Werte aufweist. Eine asymmetrische Membran bietet zudem den Vorteil, dass die gröbere Porenstruktur auf der Oberseite nicht gleich mit Partikeln verstopft, während die feinere Porenstruktur auf der Unterseite für die Sterilität der filtrierten Lösung sorgt.

Darüber hinaus kann man dem Verstopfen durch eine Vorfiltration vorbeugen. Dabei werden die Medien zuerst durch eine Membran mit größeren Poren filtriert, bevor durch die eigentliche Sterilmembran filtriert wird. Das funktioniert beispielsweise so: ein Glasfaserfilter wird auf eine PES-Membrane gelegt, dann kann das Medium in einem Gang vorfiltriert und steril-filtriert werden. PES-Membranen haben einen besonders niedrigen Anteil an extrahierbaren Substanzen, die oft in anderen Membranen gefunden werden. Dies ist eine wichtige Überlegung in der Zellkulturarbeit, weil diese extrahierbaren Substanzen potenziell zytotoxisch sein können. PES ist zudem hydrophil. Aus diesem Grund sind – im Gegensatz zu anderen Membrantypen – keine Netzmittel nötig. Netzmittel sind häufig eine Quelle der Zytotoxizität und es ist sehr wichtig, deren Präsenz in der Zellkultur zu minimieren.

Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Membrandurchmesser. Er beeinflusst sowohl die Durchflussgeschwindigkeit als auch die -menge. Der größtmögliche Membrandurchmesser garantiert eine schnelle Filtration mit hohem Durchfluss. Dies ist besonders wichtig bei Lösungen mit hohem Proteinanteil wie bei Serum und anderen Wachstumsfaktoren. Beispielsweise lässt sich eine Lösung von 500 ml Dulbecco’ s Modified Eagle mit einen Serumanteil von 12,5%, effektiv durch eine Membran mit einem Durchmesser von 75 mm oder 90 mm filtrieren.
Gelegentlich wird es nötig sein, Lösungen mit Alkoholanteil zu filtrieren. Sowohl PES- als auch Nylon (NYL)-Membranen zeigen eine gute Resistenz und können bei dieser Applikation erfolgreich eingesetzt werden. Zur Sterilisation von wässrigen Lösungen und Puffern empfehlen sich Membranen aus Cellulosenitrat (CN). Diese ergeben eine optimale Durchflussrate und verstopfen nicht, sofern keine Proteine anwesend sind.

Wenn der Filter fast alles schluckt

Das nächste Problem taucht bei kleinen Volumina auf. Selbst wenn spezielle Spritzenfilter für kleine Volumina, typischerweise 0,5 ml bis 1,0 ml, benutzt werden, kann der Verlust wichtiger und oftmals teurer Reagenzien durch Rückhaltung in der Membran bedeutend sein. Sehr viel weniger Verlust hat man, wenn eine Membran mit geringerem Durchmesser benutzt wird. Zur Verdeutlichung: ein Filter mit 25 mm Durchmesser hält ca. 250 μl zurück, während ein Filter mit 13 mm Durchmesser nur ca. 30 μl aufnimmt, während Filter mit nur 4 mm Durchmesser einen Rückhalt von nur 10 µl aufweisen. Speziell für solche Fälle hat Thermo Scientific Nalgene diese Spritzenfilter mit kleinem Durchmesser im Programm. Sie sind prädestiniert für das Filtrieren sehr kleiner Volumina kostbarer Reagenzien, z.B. von Lösungen mit Wachstumsfaktoren oder Proteinen.

Wie man sich bettet, so liegt man

Ein wichtiger Punkt für ein sichere Filtration ist die Aufhängung der Filtermembran.
Viele Filtereinheiten verwenden heute noch ein Stützsystem mit radialen Speichen. Durch die ungleichen Lücken zwischen den Speichen ist jedoch keine stetige, gleichmäßige Abstützung der Membran möglich. Dadurch kommt es zu einer höheren Belastung und zu Verformungen, im schlimmsten Fall zu einem Riss in der Membran. Das Ergebnis: Durchflussrate und Durchsatz sind nicht optimal.

 

Alle Nalgene Vakuum-Filtereinheiten verfügen über das Rapid-Flow Multisäulen-Membranunterstützungs-system. Dieses patentierte System sorgt für eine gleichmäßige, einheitliche Abgrenzung zwischen den Berührungspunkten von Membran und Säule und minimiert die Belastung der Membran, um einen optimalen Durchfluss zu gewährleisten, ohne Verstopfen und Verlust von Reagenzien.

Ein guter Tropfen braucht die richtige Flasche.

Soll das sterilisierte Medium nicht gleich verbraucht werden, ist es zudem wichtig, den richtigen Aufbewahrungsort zu haben. Sowohl das Design der Flaschen- und des Verschlusssystems haben neben dem Material Einfluss auf die Medienstabilität. Die polare Oberfläche von Glasflaschen verringert die Haltbarkeit und führt zu einer vorzeitigen pH-Wertänderung.

Fazit

Die Auswahl der richtigen Porengröße, des Membranmaterials und des Membrandurchmessers sind die wichtigsten Punkte bei der Entscheidung, welche Filtereinheiten für die Filtration von Medien oder biologischen Reagenzien eingesetzt werden. Wer dies richtig macht, hat den ersten Schritt für eine hohe Effizienz getan. Die schnellste und effizienteste Filtration wird mit asymmetrischen Membranen bei einer optimalen Unterstützung der Membranescheibe erreicht. So werden die Anteile an extrahierbare Substanzen und der Proteinbindung geringgehalten, bei gleichzeitiger hohen Durchflussrate und -menge. Achtet man auch bei der Lagerung des fertigen Mediums auch auf die bestmögliche Haltbarkeit erreicht man eine optimale Filtratqualität.

 

Weitere Informationen

Dieser Blogbeitrag entstand mit freundlicher Unterstützung der Firma Thermo Fisher Scientific. Quelle aller Bilder: Thermo Fisher Scientific

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Mehr Informationen zu den Nalgene Rapid Flow Filtereinheiten finden Sie hier.

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