Filtration

Kapilläre Filtration

Die Filtration ist Grundlage des Stoffaustauschs von Kapillaren und Interstitium. Als Filtermembran fungiert das fenestrierte Kapillarendothel. Dieses ermöglicht die Passage der flüssigen Phase des Blutplasmas und kleiner Moleküle. Für Makromoleküle ist die kapilläre Membran aufgrund ihres kleinen Porendurchmessers impermeabel.

Die Filtration wird durch den effektiven Filtrationsdruck bestimmt. Im arteriellen Schenkel der Kapillaren überwiegt der hydrostatische Druck die Summe aus kolloidosmotischem kapillären Druck und interstitiellem Druck. Durch den filtrationsbedingten Plasmaverlust (= limitierender Faktor der Filtration) steigt der kolloidosmotische Druck gegenüber dem hydrostatischen Druck überlinear an. Der effektive Filtrationsdruck sinkt auf 0, die Filtration kommt zum Erliegen (Filtrationsgleichgewicht).

Entgegen der häufigen Beschreibung in Lehrbüchern kommt es nicht zu einer größeren Reabsorption der interstitiellen Flüssigkeit durch die Kapillare selbst. Übersteigt der kolloidosmotische Druck in der Kapillare den hydrostatischen Druck, findet zwar eine geringe Reabsorption statt - diese wird aber sofort dadurch unterbunden, dass die einströmende Flüssigkeit einen lokal höheren kolloidosmotischen Druck im Interstitium erzeugt, der die Druckdifferenz wieder ausgleicht. Die interstitielle Flüssigkeit wird zum größten Teil über die Lymphgefäße abtransportiert.

Glomeruläre Filtration

Innerhalb der renalen Glomeruli wird durch Filtration der Primärharn in das Tubulussystem der Niere abgepresst. Die Filtermembran bildet die 3schichtige Blut-Harn-Schranke. Der antreibende effektive Filtrationsdruck errechnet sich aus dem hydrostatischen Druck der Kapillaren, dem Druck der Bowman-Kapsel und dem kolloidosmotischen Druck der Kapillaren. Er entspricht im zuführenden Schenkel etwa 11 mmHg.

Wie die kapilläre Filtration wird auch die glomeruläre Filtration durch Einstellung eines Filtrationsgleichgewichtes in Folge Plasmaverlustes begrenzt.

Filtration ist eine pharmazeutische Grundoperation, die der Abtrennung von Feststoffteilchen dient. Vor allem Flüssigkeiten werden filtriert, im Rahmen der Reinraumtechnologie aber auch Luft. Ziel ist die Abtrennung von Schwebstoffteilchen.

Einteilung

...nach Filtertyp

• Oberflächenfiltration: Die Teilchen werden durch eine Membran, die kleine Poren enthält, abgetrennt. Als Trennprinzip dient die Teilchengröße: Ist der Teilchendurchmesser größer als der Durchmesser der Poren, werden sie zurückgehalten. Häufig entsteht ein fester Filterkuchen.
• Tiefenfiltration: Die Teilchen werden durch Van-der-Waals-Kräfte innerhalb des Filters an Fasern adsorbiert und somit zurückgehalten. Tiefenfilter haben eine begrenzte Filterkapazität, die erschöpft ist, sobald alle Adsorptionsstellen besetzt sind.

...nach Größe der abzutrennenden Teilchen

• Mikrofiltration (1 μm bis 1 mm)
• Ultrafiltration (100 bis 500 nm)
• Nanofiltration (< 1 nm)

...nach Filtrationsverfahren

Hier wird vor allem zwischen der herkömmlichen Filtration unterschieden, bei welcher die Flüssigkeit aufgrund einer Druckdifferenz durch den Filter fließt, und der Umkehrosmose, bei welcher Wasser mit erhöhtem Druck durch eine semipermeable Membran gepresst wird. Es gibt Niederdruck- und Hochdruck-Umkehrosmoseanlagen. Sie werden vor allem zur Herstellung von aqua ad injectabilia (Wasser für Injektionszwecke) verwendet.

Filterarten

In der Pharmazie werden vor allem Membranfilter verwendet. Es gibt sie in porenartiger und schaumartiger Struktur:

• Porenfilter: Porenartige Filter bestehen aus einer Membran mit Poren, welche die Filtrationsleistung gewährleisten. Es handelt sich somit um Oberflächenfilter. Die Herstellung erfolgt durch Beschuss einer Polycarbonatmembran mit Neutronen und anschließendes Herauslösen der Strahlenkanäle mit Salzsäure.
• Schaumartige Filter: Sie sind hochporös und werden somit als Tiefenfilter verwendet. Die Herstellung erfolgt durch Lösen des Polymers (in der Regel Celluloseacetat) und anschließendes Ausfällen durch Zugabe eines Nicht-Lösemittels.

In der industriellen Herstellung werden zur Filtration größerer Flüssigkeitsmengen Filterpatronen verwendet. Bei diesen ist der Filter in einem Gehäuse fixiert. Es gibt Wickelfilter, bei welchen der Filter mehrmals um einen zentralen Zylinder herum gewickelt wird, und gefaltete Filter, bei welchen der Filter Ziehharmonika-ähnlich gefaltet um den zentralen Zylinder befestigt ist. Wickelfilter werden bei der Umkehrosmose verwendet, da sie einen höheren Druck aushalten als gefaltete Filter.

Die Filterpatronen werden in einem Gehäuse montiert, das von der zu filtrierenden Flüssigkeit durchströmt wird ("Kerzenfilter"). Die zu filtrierende Flüssigkeit wird mit hohem Druck in das Gehäuse geleitet und so durch den Filter gepresst, durch welchen die Flüssigkeit das Gehäuse verlässt.

HEPA-Filter

Luft wird mit HEPA-Filtern (high efficiacy particulate arresting) gereinigt. Dies ist vor allem bei Reinräumen notwendig. HEPA-Filter bestehen aus Mikroglasfaser-Filtermatten. Sie filtern mindestens 99,97% der Schwebstoffteilchen eines Durchmessers von 0,3 µm heraus. Ein HEPA-Filter weist vier Filtrationsmechanismen auf:

• Siebwirkung: Zurückhalten der Teilchen aufgrund ihrer Größe, vergleichbar zu einem Porenfilter
• Trägheitseffekt: Zurückhalten der Teilchen aufgrund ihrer Trägheit. Die Teilchen prallen an den Filter und können diesen nicht mehr verlassen.
• Sperreffekt: Zurückhalten der Teilchen, wenn ihr Gewichtszentrum zwar die Fasern passieren könnte, sie durch ihr Volumen aber trotzdem am Filter haften bleiben.
• Diffusion: Zurückhalten der Teilchen, wenn sie durch passive Diffusion an die Filter adsorbieren.

Jede dieser Mechanismen ist abhängig von der Teilchengröße. Das Minimum der totalen Abscheidekapazität liegt bei einem Partikeldurchmesser von 0,3 µm - deshalb ist diese Partikelgröße Teil der Definition eines HEPA-Filters.

Therapeutisch macht man sich das Verfahren der Filtration im Rahmen der Hämofiltration zu Nutze, bei der durch einen transmembranalen Druckgradienten Blutplasma abfiltriert wird.

Bauer, Frömmig, Führer: Pharmazeutische Technologie. Mit Einführung in die Biopharmazie. 10. Auflage, Stuttgart 2017