Verfahren zur Herstellung eines Ionenaustauschers
Durch Modifikation von a-Cellulose kann man zu Anionen- oder Kationenaustauschern gelangen [Sobers und Peterson, JA. C. 5., 1954, 76, 1711 bis 1712, ibid. 1956, 78(4), 751-755, Sobers et al., J. A. C. S., 1956, 78(4), 756-763. Es wurde ein Anionenaustauscher erhalten, indem man stark alkalische a-Cellulosepulver mit 2-Chlor-N,N-diäthyläthyl- amin behandelte. Dieses Produkt, im folgenden als DEAE-Cellulose bezeichnet, hat als Ionenaustausch Absorptionsmittel für Proteine und proteinartige Stoffe, z. B. für Enzyme, Verwendung gefunden, da es verhältnismässig grosse Proteinmengen adsorbieren kann, die unter milden Bedingungen aus der DEAE Cellulose eluiert werden können.
Die a-Cellulose schien diesen Forschern vielversprechend zu sein, da sie hydrophil ist und eine grosse Oberfläche besitzt, welch letztere Eigenschaft für die Bestimmung der adsorptiven Kapazität der modifizierten DEAE-Cellulose bedeutungsvoll ist. Der andere Faktor, der die adsorptive Kapazität der DEAE-Cellulose beeinflusst, ist die Zahl der aktiven Gruppein, die in die Cellulose eingeführt werden können; Versuche zeigten aber, dass, je mehr Diäthylaminoäthylgruppen in der Cellulose vorhanden sind, diese desto gelatinöser und wasserlöslicher wird, so dass in der Praxis die Zahl der einführbaren Gruppen mit ionentauschender Wirkung begrenzt ist, lange bevor die Diäthylamino äthylierung vollständig wäre.
Bei der Verwendung von Ionenaustauschern im Betrieb wird vorzugsweise kontinuierlich gearbeitet, und es ist daher auch bei Verwendung von DEAE Cellulose erwünscht, ein Material zu haben, das im Säulenbetrieb brauchbar ist. Ionenaustauscher für den industriellen Betrieb müssen, soweit möglich, folgende Eigenschaften aufweisen:
1. Poröse Natur, damit der behandelten Flüssigkeit eine grosse Anzahl aktiver Gruppen zur Verfügung steht.
2. Eine genügend offene Struktur, damit die Flüssigkeit leicht durch die Säule fliessen kann.
3. Eine angenähert gleichmässige Teilchengrösse, damit sich das Material beim Packen der Säule nicht durch unterschiedliche Sedimentation abtrennt. Eine gleichmässige Teilchengrösse vermindert auch die Kanalbildung und hilft, einen gleichförmigen Fluss im ganzen Querschnitt der Säule aufrecht zu erhalten.
4. Die einzelnen Teilchen des Ionenaustauschers sollen voneinander möglichst getrennt sein, so dass sie nicht zusammenbacken und keine Klumpen bilden, damit die Materialsäule zurückgewaschen und fluidisiert werden kann, um Fremdstoffe zu entfernen.
5. Die Materialteilchen sollen in wässrigen Salzlösungen und schwach sauren und basischen Mitteln fest genug sein, damit sie ihre Gestalt während der Adsorption, Elution und Regenerierung beibehalten und nicht soweit zusammenbacken oder sich absetzen, dass der Flüssigkeitsstrom gehemmt wird.
Die nach den bekannten Verfahren hergestellte DEAE-Cellulose besitzt die erste dieser Eigenschaf ten; da sie aber ein feines gelatinöses Pulver bildet, neigt sie zum Zusammenballen, kann nicht leicht rückgewaschen werden und lässt keine zufriedenstellende Fliessgeschwindigkeit zu. Ausserdem wird sie nach einer Anzahl Regenerierungen zu schleimig, um in einer Säule verwendet werden zu können.
Im Laufe der Forschung nach einem Verfahren zur Herstellung eines günstigeren Ionenaustauschers aus anderen Cellulose wurde entdeckt, dass besonders eine Celluloseart zur Herstellung eines Ionen austauschers vom DEAE-Cellulose-Typ geeignet ist, welcher besonders für den Säulenbetrieb verwendbar ist und die oben aufgezählten envünschten Eigenschaften in grossem Masse aufweist. Diese Celluloseart weist eine weniger gerichtete Struktur auf, als natürliche Cellulose und übliche regenerierte Cellulose, z. B. von Viskose-Rayon, und ist praktisch isotrop.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Ionenaustauschers durch Diäthylaminoäthylierung von Cellulose, ist dadurch gekennzeichnet, dass man als Ausgangsmaterial unorientierte Cellulose verwendet. Die Cellulose wird zweckmässig in Teilchenform verwendet.
Man kann praktisch reine unorientierte Cellulose erhalten, wenn man den bei der Herstellung von Viskose-Rayon verwendeten Natriumxanthatkomplex sehr langsam mit minimaler Spannung in ein saures Bad presst. Dieses Verfahren unterscheidet sich somit vom üblichen Verfahren zur Herstellung von Rayon, bei welchem die erzeugten Fasern infolge der angewandten Spannung zu einem hohen Grad orientiert sind. Eine für das erfindungsgemässe Verfahren besonders brauchbare Form der Cellulose ist die von der Firma Coutaulds Limited in Coventry unter dem eingetragenen Warenzeichen Rayon Monofil in Verkehr gebrachte Cellulose.
Die für das erfindungsgemässe Verfahren verwendbare unorientierte Cellulose kann von den hochorientierten regenerierten Fasern oder nativer Cellulose durch eine Anzahl physikalischer Methoden unterschieden werden, z. B. durch Beobachtung der Infrarot-Absorptionsspektren und durch Messungen der Doppelbrechnung. Die unorientierte Cellulose hat weniger scharfe Absorptionsmaxima und Minima im Infraroten und zeigt eine geringere Doppelbrechung als die höher orientierte.
Für das erfindungsgemässe Verfahren verwendet man zweckmässig unorientierte Cellulose in Form von Stäbchen oder Fäden, die man zweckmässig erst in Teilchen aufteilt, deren Grösse für ihre Verwendung in einer Ionenaustauschersäuie vorteilhaft ist.
Die Teilchen sollen möglichst nicht grösser sein als 1,68 mm.
Es wurde gefunden, dass Teilchengrössen zwischen 0,3 und 1,0 mm besonders zweckentsprechend sind.
Die für das erfindungsgemässe Verfahren vorzugsweise verwendete unorientierte Cellulose- Rayon Monofil wird üblicherweise in Form von Monofasern von 1000 bis 60 000 Denier geliefert und besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Monofasern von 25 000 Denier erwiesen. Dieses Material kann in Teilchen günstiger Grösse gebracht werden, z. B. indem man es in kleine Stücke von etwa 6 mm Länge schneidet und diese zu Teilchen regelloser Gestalt vermahlt.
Die Teilchen unorientierter Cellulose werden dann behandelt, um die Diäthylaminoäthylgruppen in das Molekül einzuführen. Man kann sie z. B. mit einem Alkalimetallhydroxyd in ein Alkaliderivat der Cellulose überführen, das dann mit einem Diäthylhalogenäthylamin, vorzugsweise in Form eines Hydrohalogenids, umgesetzt wird. Vorzugsweise verwendet man Natronlauge und Diäthylchloräthylamin.
Die erfindungsgemäss erhältlichen Ionenaustauscher weisen gewöhnlich eine lockere Struktur auf und die Moleküle der zu absorbierenden Stoffe können leicht an die aktiven DEAE-Gruppen gelangen.
Sie stellen der zu- behandelnden Flüssigkeit meistens eine grosse Anzahl aktiver Gruppen zur Verfügung.
So wurden z. B. erfindungsgemäss Ionenaustauscher erhalten mit Austauschkapazitäten von etwa 0,1 bis etwa 2,0 mäqu/g (Trockengewicht). Besonders brauchbar ist ein Ionenaustauscher mit einer Austauschkapazität von 0,3 bis 1,6 mäqu/g (Trocken gewicht)
Bei richtiger Wahl der Teilchengrösse kann man einen guten Durchfluss durch die Säule aufrechterhalten und insbesondere höhere Durchflussgeschwindigkeiten, als mit den bekannten DEAE-Cellulosen erreichen.
Der erfindungsgemäss erhältliche Ionenaustauscher kann in eine Teilchenform gebracht werden, wie sie bei Ionenaustauscherharzen üblich ist, z. B. in getrennte Teilchen, die keine Neigung zum Zusammenbacken haben. Er kann ausserdem in solche Form gebracht werden, dass er wie die üblichen Ionen aus tauscherha-rze im Aufwärtsstrom gewaschen und mit Luft durchblasen werden kann. Es sei aber bemerkt, düss, wenn man versucht, einen Ionenaustauscher mit einer viel höheren Austauschkapazität als 2,0 mäqu/g mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens herzu stellen, das l ! Material zu gelieren und in Wasser lös- lich zu werden beginnt, so wie die bekannten DEAE Cellulosen.
Der erfindungsgemäss erhältliche Ionenaustauscher ist im allgemeinen stabil, besonders alkalibeständig und behält seine Teilchenform beim Ge bauch weitgehend bei. Er kann also oft regeneriert werden, ohne seine Eigenschaften wesentlich zu ändern, falls eine Veränderung des Volumens beobachtet wird, beeinflusst diese die Durchflussgeschwindigkeit kaum.
Es wurde beobachtet, dass man, wenn von un arientierter Cellulose der Teilchengrösse von 0,075 bis 0,25 mm ausgegangen- wird, einen Ionenaustauscher mit etwas grösserer Austauschkapazität erhält, als wenn man von unorientierter Cellulose von 0,3 bis 1,0 mm ausgeht, aber diese erhöhte Kapazität ist nicht proportional der vergrösserten Oberfläche, und- die Durchflussgeschwindigkeit neigt zu einer solchen Verminderung; dass der Ionenaustauscher im Brossbetrieb weniger brauchbar wird.
Der erfindungsgemäss erhältliche Ionenaustauscher kann zur Adsorption verschiedener Stoffe verwendet werden. Man kann ihn z. B. im allgemeinen überall da verwenden, wo die DEAE-Cellulose bisher verwendet wurde, z. B. für die Trennung und Reinigung von Proteinen, aber es wurde gefunden, dass er besonders für die- Trennung und/oder Konzentration der aus Pilzen gewonnenen a-Amylase brauchbar ist. Er kann auch zur Reinigung und/oder Konzentration von Poliomyelitis-Viren, Vitamin-Bl2- Säure (durch Adsorption) und von Vitamin B12 (durch Adsorption der Verunreinigungen, während das Vitamin die Säule passiert) verwendet werden.
Erfindungsgemäss hergestellte Ionenaustauscher können ferner auch zur Entionisierung von Wasser verwendet werden.
Beispiel
Etwa 2 kg Rayon Monofil von 25 000 Denier werden von Hand in Stücke von etwa 6 mm Länge geschnitten und durch eine Raymond -Laboratori- umshammermühle ohne Sieb geleitet. Das Material wird anschliessend gesiebt, und man gewinnt eine Fraktion von 1,058 kg, welche durch ein Sieb von 1,0 mm geht und von einem Sieb von 0,3 mm zurückgehalten wird. Diese Fraktion wird bei 110 C eine Stunde mit 5,3 Liter 6n-Natronlauge gemischt.
Dann gibt man eine Lösung von 1,058 kg Diäthylchloräthylamin-hydrochlorid in 1,6 Liter Wasser zu und mischt 35 Minuten bei 850 C. Das Gemisch wird auf Zimmertemperatur abgekühlt und durch Zufügung von 2,5 Liter konzentrierter Salzsäure angesäuert. Der Ionenaustauscher wird abfiltriert, mit 12 Liter Leitungswasser und 5,3 Liter n-Natronlauge und wieder mit Leitungswasser gewaschen, bis das Waschwasser praktisch neutral ist.
Der derart hergestellte Ionenaustauscher wurde in folgender Weise zur Adsorption einer aus Pilzen gewonnenen a-Amylase verwendet:
Der Ionenaustauscher wird in Form einer wässrigen Suspension in ein Glasrohr von 3 m Höhe und 5 cm Durchmesser gefüllt und ergibt ein Bett von etwa 2,1 m Höhe und 4,2 Liter Volumen. Dieses Bett wird durch Abwärtslaufenlassen von 8,4 Liter 0, 1-molarer Phosphatlösung im Verlauf einer Stunde bei pH 6,6 gepuffert. 75 Liter eines Breies von aus Pilzen gewonnener a-Amylase mit einer Dextrinieraktivität von 14,0 Einheiten pro ml, entsprechend
1,050 Kiloeinheiten totaler Aktivität, werden mit Essigsäure auf pH 6,6 eingestellt, durch Filterpapier von Sterilisierqualität gelassen und nach unten durch das Austauscherbett mit einer Geschwindigkeit von 4,2 Liter pro Stunde geleitet.
Darauf folgen 4,2 Liter Wasser als Verdrängungsflüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von 4,2 Liter pro Stunde. Die Analyse der aus der Säule fliessenden Flüssigkeit zeigt
1,7 Kiloeinheiten totaler Dextrinieraktivität, was einer Adsorption von 1,048,3 Kiloeinheiten, also einer Ausbeute von 99, 8 % entspricht. Die adsorbierte Amylase wird in abwärts geführter Elution mit 4,2 Liter 0, 8-molarer Acetat/0, 8-molarem Kochsalzpuffer bei pH 4,7 und durch darauffolgende Verdrängung mit 4,2 Liter Wasser, alles mit einer Stundengeschwindigkeit von 2,1 Liter, gewonnen. 7 Liter Eluat enthalten 992,2 Kiloeinheiten totaler Dextrinieraktivität, entsprechend einer Ausbeute von 94,6 % und einer Konzentrationserhöhung von einer Zehnerpotenz.
Die Säule wurde im Abwärtsfluss mit 8,4 Liter 1 On-Sodalösung, die 2,5 % Kochsalz enthält, regeneriert, mit Wasser gewaschen und in beschriebener Weise wieder mit Phosphat gepuffert.
Process for the production of an ion exchanger
By modifying α-cellulose, anion or cation exchangers can be obtained [Sobers and Peterson, JA. C. 5., 1954, 76, 1711-1712, ibid. 1956, 78 (4), 751-755, Sobers et al., J.A.C.S., 1956, 78 (4), 756-763. An anion exchanger was obtained by treating strongly alkaline α-cellulose powder with 2-chloro-N, N-diethylethylamine. This product, hereinafter referred to as DEAE cellulose, has been used as an ion exchange absorbent for proteins and proteinaceous substances, e.g. B. for enzymes, found use, since it can adsorb relatively large amounts of protein that can be eluted from the DEAE cellulose under mild conditions.
The α-cellulose appeared to be of great promise to these researchers because it is hydrophilic and has a large surface area, the latter property being important for determining the adsorptive capacity of the modified DEAE cellulose. The other factor affecting the adsorptive capacity of DEAE cellulose is the number of active groups that can be introduced into the cellulose; Experiments showed, however, that the more diethylaminoethyl groups there are in the cellulose, the more gelatinous and water-soluble, so that in practice the number of groups with an ion-exchanging effect is limited long before the diethylaminoethylation would be complete.
When ion exchangers are used in operation, the operation is preferably carried out continuously, and it is therefore desirable, even when using DEAE cellulose, to have a material which can be used in column operation. Ion exchangers for industrial use must, as far as possible, have the following properties:
1. Porous nature, so that a large number of active groups are available for the liquid being treated.
2. A sufficiently open structure that the liquid can easily flow through the column.
3. An approximately uniform particle size so that the material does not separate due to different sedimentation when the column is packed. Uniform particle size also reduces channeling and helps maintain uniform flow across the cross-section of the column.
4. The individual particles of the ion exchanger should be separated from one another as far as possible so that they do not stick together and do not form lumps, so that the material column can be washed back and fluidized in order to remove foreign matter.
5. The material particles should be strong enough in aqueous salt solutions and weakly acidic and basic agents so that they retain their shape during adsorption, elution and regeneration and do not stick together or settle to the extent that the flow of liquid is inhibited.
The DEAE cellulose produced by the known method has the first of these properties; but since it forms a fine gelatinous powder, it tends to agglomerate, cannot be easily backwashed, and does not allow a satisfactory flow rate. In addition, after a number of regenerations, it becomes too slimy to be used in a column.
In the course of research into a method for producing a cheaper ion exchanger from other cellulose, it was discovered that one type of cellulose in particular is suitable for producing an ion exchanger of the DEAE cellulose type, which is particularly suitable for column operation and which has the desirable properties listed above has great mass. This type of cellulose has a less directional structure than natural cellulose and conventional regenerated cellulose, e.g. B. Viscose rayon, and is practically isotropic.
The process according to the invention for producing an ion exchanger by diethylaminoethylation of cellulose is characterized in that unoriented cellulose is used as the starting material. The cellulose is conveniently used in particulate form.
Virtually pure, unoriented cellulose can be obtained by pressing the sodium xanthate complex used in the manufacture of viscose rayon very slowly with minimal tension into an acidic bath. This method thus differs from the usual method of making rayon, in which the fibers produced are oriented to a high degree due to the tension applied. A form of cellulose which is particularly useful for the process according to the invention is cellulose marketed by Coutaulds Limited in Coventry under the registered trademark Rayon Monofil.
The unoriented cellulose which can be used for the process of the invention can be distinguished from the highly oriented regenerated fibers or native cellulose by a number of physical methods, e.g. B. by observing the infrared absorption spectra and by measuring the double refraction. The unoriented cellulose has less sharp absorption maxima and minima in the infrared and shows less birefringence than the more highly oriented.
For the process according to the invention, it is advantageous to use unoriented cellulose in the form of rods or threads, which are advantageously first divided into particles, the size of which is advantageous for their use in an ion exchange acid.
If possible, the particles should not be larger than 1.68 mm.
It has been found that particle sizes between 0.3 and 1.0 mm are particularly appropriate.
The unoriented cellulose-rayon monofilament which is preferably used for the process according to the invention is usually supplied in the form of monofibers of 1000 to 60,000 denier and the use of monofibers of 25,000 denier has proven particularly advantageous. This material can be brought into particles of convenient size, e.g. B. by cutting it into small pieces about 6 mm long and grinding them into particles of random shape.
The particles of unoriented cellulose are then treated to introduce the diethylaminoethyl groups into the molecule. You can z. B. with an alkali metal hydroxide in an alkali derivative of cellulose, which is then reacted with a diethylhaloethylamine, preferably in the form of a hydrohalide. Sodium hydroxide solution and diethyl chloroethylamine are preferably used.
The ion exchangers obtainable according to the invention usually have a loose structure and the molecules of the substances to be absorbed can easily reach the active DEAE groups.
They usually make a large number of active groups available to the liquid to be treated.
So were z. B. according to the invention ion exchangers obtained with exchange capacities of about 0.1 to about 2.0 meq / g (dry weight). An ion exchanger with an exchange capacity of 0.3 to 1.6 meq / g (dry weight) is particularly useful
With the correct choice of particle size, a good flow through the column can be maintained and, in particular, higher flow rates can be achieved than with the known DEAE celluloses.
The ion exchanger obtainable according to the invention can be brought into a particle form as is customary in ion exchange resins, e.g. B. into separate particles that have no tendency to cake together. It can also be shaped in such a way that, like the usual ions from exchange resin, it can be washed in an upward flow and blown with air. It should be noted, however, that if one tries to produce an ion exchanger with a much higher exchange capacity than 2.0 meq / g with the aid of the process according to the invention, the l! Material begins to gel and become soluble in water, like the well-known DEAE celluloses.
The ion exchanger obtainable according to the invention is generally stable, particularly resistant to alkali, and largely retains its particle shape in the case of the stomach. It can therefore often be regenerated without significantly changing its properties; if a change in volume is observed, this hardly affects the flow rate.
It has been observed that if one starts from unoriented cellulose with a particle size of 0.075 to 0.25 mm, an ion exchanger with a somewhat larger exchange capacity is obtained than if one starts from unoriented cellulose from 0.3 to 1.0 mm, but this increased capacity is not proportional to the increased surface area, and the flow rate tends to suffer such a decrease; that the ion exchanger is less usable in large operations.
The ion exchanger obtainable according to the invention can be used for adsorbing various substances. You can z. B. in general wherever the DEAE cellulose has been used, e.g. For the separation and purification of proteins, but it has been found to be particularly useful for the separation and / or concentration of the fungal derived α-amylase. It can also be used to purify and / or concentrate poliomyelitis viruses, vitamin B12 acid (by adsorption) and vitamin B12 (by adsorbing the impurities as the vitamin passes through the column).
Ion exchangers produced according to the invention can also be used to deionize water.
example
Approximately 2 kg of rayon monofilament of 25,000 denier are cut by hand into pieces approximately 6 mm in length and passed through a Raymond laboratory hammer mill without a sieve. The material is then sieved, and a fraction of 1.058 kg is recovered, which passes through a sieve of 1.0 mm and is retained by a sieve of 0.3 mm. This fraction is mixed with 5.3 liters of 6N sodium hydroxide solution at 110 ° C. for one hour.
A solution of 1.058 kg of diethyl chloroethylamine hydrochloride in 1.6 liters of water is then added and the mixture is mixed for 35 minutes at 850 ° C. The mixture is cooled to room temperature and acidified by adding 2.5 liters of concentrated hydrochloric acid. The ion exchanger is filtered off, washed with 12 liters of tap water and 5.3 liters of n-sodium hydroxide solution and again with tap water until the washing water is practically neutral.
The ion exchanger produced in this way was used for the adsorption of an α-amylase obtained from fungi as follows:
The ion exchanger is filled in the form of an aqueous suspension into a glass tube 3 m high and 5 cm in diameter and gives a bed about 2.1 m high and 4.2 liters in volume. This bed is buffered by running down 8.4 liters of 0.1 molar phosphate solution over the course of one hour at pH 6.6. 75 liters of a mush of a-amylase obtained from fungi with a dextrinizing activity of 14.0 units per ml, correspondingly
1.050 kilograms of total activity is adjusted to pH 6.6 with acetic acid, passed through sterilizing grade filter paper and passed down through the exchanger bed at a rate of 4.2 liters per hour.
This is followed by 4.2 liters of water as a displacement liquid at a rate of 4.2 liters per hour. The analysis of the liquid flowing out of the column shows
1.7 kilo units of total dextrination activity, which corresponds to an adsorption of 1.048.3 kilo units, i.e. a yield of 99.8%. The adsorbed amylase is eluted downwards with 4.2 liters of 0.8-molar acetate / 0.8-molar saline buffer at pH 4.7 and by subsequent displacement with 4.2 liters of water, all at an hourly rate of 2.1 Liter, won. 7 liters of eluate contain 992.2 kilo units of total dextrinizing activity, corresponding to a yield of 94.6% and a concentration increase of a power of ten.
The column was regenerated in a downward flow with 8.4 liters of 1 On soda solution containing 2.5% sodium chloride, washed with water and again buffered with phosphate in the manner described.