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Schwebstofffilter

Schwebstofffilter dienen der mechanischen Reinigung der Luft. Je nach Filterklasse werden sie als HEPA-Filter (High Efficiency Particulate Airfilter), ULPA-Filter (Ultra Low Penetration Air) oder SULPA-Filter (Super ULPA) bezeichnet. Sie dienen zur Ausfilterung von Viren, lungengängigen Stäuben, Milbeneiern und -ausscheidungen, Pollen, Rauchpartikeln, Asbest, Bakterien, diversen toxischen Stäuben und Aerosolen aus der Luft.

In FASTER-Geräten sind HEPA- und ULPA-Filter der Standard: Alle SafeFAST-Sicherheitswerkbänke, GloveFAST-Isolatoren, FlowFAST-Produktschutzwerkbänke und der Flexible Reinraum arbeiten mit geprüften Schwebstofffiltern der Klasse H14 oder höher. Das ist keine Selbstverständlichkeit im Markt – sondern ein gezieltes Qualitätsmerkmal. Die folgenden Abschnitte erklären, wie Schwebstofffilter funktionieren, welche Klassen für welchen Einsatz geeignet sind und warum die Filterwahl unmittelbaren Einfluss auf die erreichbare Reinraumklasse hat.

Was ist ein Schwebstofffilter – und wie unterscheidet er sich von anderen Luftfiltern?

Der Begriff „Filter“ ist im Alltag vielfältig besetzt – von Staubsaugerbeuteln bis zu Klimaanlagenfiltern. Schwebstofffilter sind eine eigene, technisch anspruchsvolle Kategorie: Sie arbeiten nicht wie ein Sieb, das Partikel aufgrund ihrer Größe zurückhält, sondern nutzen drei physikalische Abscheidemechanismen gleichzeitig. Dadurch können sie Partikel entfernen, die weit kleiner sind als die Faserzwischenräume des Filtermediums selbst.

Konventionelle Grob- und Feinfilter (Filterklassen G1 bis F9 nach EN 779 / ISO 16890) sind für Haushaltsgeräte und allgemeine Lüftungsanlagen ausreichend, scheiden aber submikroskopische Partikel wie Viren, ultrafeine Aerosole oder Nanopartikel kaum ab. HEPA-Filter beginnen dort, wo Feinfilter aufhören: ab Klasse H10 mit mindestens 85 % Gesamtabscheidegrad bis H14 mit 99,995 %, und ULPA-Filter erreichen bis zu 99,999995 % bei U17. Diese Leistung macht sie unersetzlich für medizinische, pharmazeutische und wissenschaftliche Schutzanwendungen.

Wie funktionieren HEPA-Filter? 

Das Filtermedium eines HEPA-Filters besteht aus einem dichten, ungeordneten Geflecht aus Zellulose-, Glasfaser- oder synthetischen Fasern mit einem Durchmesser von etwa 1 bis 10 Mikrometern. Die Fasern sind nicht gleichmäßig ausgerichtet – genau diese Unordnung ist entscheidend für die Filterwirkung. Je nach Partikelgröße greifen unterschiedliche Mechanismen:

Trägheitseffekt – für große Partikel ab ca. 1 µm

Große Partikel besitzen aufgrund ihrer Masse eine höhere Trägheit. Wenn der Luftstrom um eine Filterfaser herumgeleitet wird, können große Partikel dieser Kurve nicht folgen – sie prallen direkt auf die Faser und haften durch Adhäsionskräfte. Dieser Mechanismus wird wirksamer, je höher die Strömungsgeschwindigkeit und je größer die Partikel sind.

Sperreffekt – für mittlere Partikel ca. 0,1–1 µm

Kleinere Partikel mit geringerer Masse folgen dem Luftstrom eng um die Fasern herum. Kommen sie dabei einer Faser auf weniger als den halben Partikeldurchmesser nahe, wirken Van-der-Waals-Adhäsionskräfte und die Partikel haften an der Faser. Der Sperreffekt hängt stark von der Faserdichte des Filters ab: Je dichter das Fasergeflecht, desto häufiger kommen Partikel in Kontakt mit Fasern.

Diffusionseffekt – für ultrafeine Partikel unter 0,1 µm

Partikel kleiner als 0,1 Mikrometer werden so stark durch Zusammenstöße mit Luftmolekülen beeinflusst, dass sie keine geradlinige Flugbahn mehr einhalten. Ihre Bewegung gleicht der Brownschen Molekularbewegung – zufällig und ungerichtet. Diese chaotische Flugbahn erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Partikel auf Filterfasern treffen und haften bleiben, erheblich. Je langsamer die Luftströmung, desto wirksamer dieser Effekt.

Das Zusammenspiel dieser drei Mechanismen erklärt das charakteristische Minimum des Abscheidegrades bei Partikeln zwischen 0,1 und 0,3 Mikrometer – dem sogenannten MPPS (Most Penetrating Particle Size). Genau bei dieser Größe sind weder Trägheitseffekt noch Diffusionseffekt optimal wirksam, und der Sperreffekt allein ist ebenfalls eingeschränkt. Die EN-1822-Norm klassifiziert Schwebstofffilter daher bewusst an diesem MPPS – wer diesen schwierigsten Punkt beherrscht, filtert alle anderen Partikelgrößen noch besser.

HEPA-Filterklassen H10 bis H14 – Abscheidegrade und Reinraumklassen

Die europäische Norm EN 1822-1 klassifiziert Schwebstofffilter in 17 Klassen, aufgeteilt in EPA- (E10–E12), HEPA- (H13–H14) und ULPA-Filter (U15–U17). Im deutschen Sprachraum wird der Begriff „HEPA“ häufig informell auch für die Klassen H10 bis H12 verwendet, obwohl diese nach EN 1822 technisch als EPA-Filter gelten. Für Sicherheitswerkbänke und GMP-Reinräume ist ausschließlich HEPA H13 oder H14 relevant – niedrigere Klassen genügen den regulatorischen Anforderungen für diese Anwendungen nicht. Die Tabelle zeigt alle Klassen mit Abscheidegraden, zugeordneter Reinraumklasse und typischer Anwendung:

ULPA-Filterklassen U15 bis U17 – für höchste Reinraumanforderungen

ULPA-Filter (Ultra Low Penetration Air) gehen über die Leistungsgrenze von HEPA-H14-Filtern hinaus und sind für Anwendungen konzipiert, bei denen selbst 0,005 % Partikeldurchlass inakzeptabel wäre. Sie werden hauptsächlich in der Halbleiterfertigung, der Nanotechnologie, der Präzisionsoptik und der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt – also überall, wo ISO-Klassen 1 bis 4 gefordert sind und Partikel im Nanometerbereich Chip-Strukturen, optische Beschichtungen oder Sensoren irreversibel zerstören können.

Aufbau und Konstruktion von Schwebstofffiltern

Das Filtermedium eines HEPA- oder ULPA-Filters wird aus dünnen Faserschichten – meist aus Borosilikatglasfasern, synthetischen Polymerfasern oder Zellulose-Gemischen – zu einem kompakten Block gefaltet. Die wellenartige Faltung vergrößert die effektive Filterfläche erheblich, ohne das Einbauvolumen zu vergrößern. Der Filterblock wird in einem Rahmen aus Aluminiumblech, Edelstahl oder Sperrholz eingefasst; die Dichtheit zwischen Filtermedium und Rahmen ist entscheidend für den Gesamtabscheidegrad.

Ein kritischer Aspekt bei Hochleistungsfiltern ist die Dichtheit des Einbaus: Selbst ein HEPA-H14-Filtermedium mit 99,995 % Abscheidegrad nützt nichts, wenn Luft ungefiltert an den Dichtflächen vorbeiströmt. Deshalb schreibt EN 12469 für biologische Sicherheitswerkbänke eine MSI-Prüfung (Micro-organism Safety Index) vor, bei der der eingebaute Filter im Gerät geprüft wird – nicht nur der Filter als Einzelkomponente. FASTER-Geräte werden werksseitig nach EN 12469 MSI-geprüft und mit Prüfzertifikat geliefert.

Für den sicheren Filterwechsel werden spezielle Bag-in/Bag-out (BIBO)-Wechselsysteme eingesetzt: Sie ermöglichen den Austausch kontaminierter Filter, ohne dass Bedienpersonal mit dem Filtermedium in Kontakt kommt. Der alte Filter wird direkt in der Wechseltüte versiegelt, bevor er entnommen wird. FASTERs Sicherheitswerkbänke und Isolatoren unterstützen dieses Verfahren.

Filtertypen im Laborbereich – HEPA, ULPA und Aktivkohle im Vergleich

HEPA H14 in Sicherheitswerkbänken

Biologische Sicherheitswerkbänke der Klasse II (wie die SafeFAST-Linie von FASTER) setzen ausschließlich HEPA H14 ein – sowohl im Zu- als auch im Abluftpfad. Der Zuluftfilter erzeugt den laminaren Schutzstrom über dem Arbeitsbereich (ISO-5-Bedingungen), der Abluftfilter schützt die Umgebung vor Aerosolen aus dem Arbeitsbereich. EN 12469 schreibt für Klasse-II-Werkbänke HEPA H14 mit MSI-Prüfung vor. Klasse-III-Werkbänke (gasdichte Kabinette) und BSL-3/4-Anwendungen können doppelte H14-Filter oder ULPA U15 erfordern.

HEPA H14 in Isolatoren

GloveFAST-Isolatoren von FASTER sind mit HEPA H14 im Zu- und Abluftpfad ausgerüstet. Der geschlossene Betrieb des Isolators bedeutet, dass der Innenraum dauerhaft von der Umgebung getrennt ist – die Filterleistung ist hier eine zusätzliche Sicherheitsstufe. Für Steriletest-Isolatoren und Cyto-Pharma-Isolatoren mit HPAPI-Handling ist die Filterdichtheit und regelmäßige Integritätsprüfung Teil der IQ/OQ-Qualifikationsdokumentation.

Aktivkohlefilter in Laborabzügen

Ein anderer Filtertyp – der Aktivkohlefilter – kommt dort zum Einsatz, wo nicht Partikel, sondern chemische Gase und Dämpfe aus der Laborluft entfernt werden müssen. In den ChemFAST-Laborabzügen von FASTER kann optional ein Aktivkohlefilter zusätzlich zur Abluftführung eingebaut werden, um beim Recirculation-Betrieb (Umluft) flüchtige organische Verbindungen (VOC), Säuredämpfe oder Lösemitteldämpfe zu binden. Aktivkohlefilter haben keine Partikelabscheidefunktion – sie ergänzen den HEPA-Filter, ersetzen ihn aber nicht. Wichtig: Bei CMR-Stoffen der TRGS 906 ist ein Abluftbetrieb nach außen vorgeschrieben – Aktivkohlefilter allein genügen hier nicht.

HEPA-Filter im Flexiblen Reinraum und Wiegekabine

FASTERs Flexibler Reinraum und die Wiegekabine sind mit HEPA H14 ausgerüstet und erzeugen damit ISO-5-ähnliche Bedingungen im Arbeitsbereich. Bei der Wiegekabine strömt die H14-gefilterte Luft laminar nach unten über den Wiegebereich – Partikel und Staubwolken werden sofort nach unten aus der Atemzone abgeführt.

Wann müssen Filter gewechselt werden – und wie?

HEPA- und ULPA-Filter haben keine fixe Lebensdauer in Betriebsstunden, sondern werden nach Druckverlust ausgetauscht. Mit zunehmender Filterbefüllung steigt der Strömungswiderstand (Differenzdruck) – sobald dieser einen gerätespezifischen Grenzwert überschreitet, ist ein Wechsel fällig. FASTERs Sicherheitswerkbänke überwachen den Filterdruck kontinuierlich und signalisieren fällige Wechsel optisch oder akustisch. In GMP-Umgebungen ist der Filterwechsel ein dokumentierter Wartungsvorgang mit Protokollpflicht.

Typische Filterlaufzeiten liegen je nach Einsatzbedingung (Partikelbelastung, Betriebsstunden, Umgebungsluftqualität) zwischen einem und fünf Jahren. In Reinräumen mit niedrigem Partikelintrag können Filter über viele Jahre in Betrieb bleiben – die Druckverlustüberwachung gibt den tatsächlichen Zustand zuverlässig an. Ein vorzeitiger Wechsel nach Kalender ohne Druckverlustmessung ist in der Regel nicht notwendig und verursacht unnötige Kosten.

Bei der Entsorgung kontaminierter Filter – nach Arbeit mit Krankheitserregern, Zytostatika oder radioaktiven Substanzen – gelten besondere Vorschriften. Kontaminierte Filter fallen unter Sonderabfall und müssen entsprechend verpackt, gekennzeichnet und entsorgt werden. Das Bag-in/Bag-out-Verfahren, das in FASTERs Geräten unterstützt wird, vereinfacht die sichere Erstverpackung des kontaminierten Filters ohne direkten Bedienkontakt.