CH617719A5

CH617719A5 - Process for the preparation of cellulosic fibres containing enzymes

Info

Publication number: CH617719A5
Application number: CH396474A
Authority: CH
Inventors: Dino Dinelli; Francesco Bartoli; Silvio Gulinelli
Original assignee: Snam Progetti
Priority date: 1973-03-22
Filing date: 1974-03-21
Publication date: 1980-06-13
Also published as: DE2414035B2; ES424884A1; LU69676A1; SU620218A4; DK140146B; DE2414035A1; IE40379B1; RO86222A; GB1453744A; YU73074A; BE812571A; AT324265B; ZA741842B; DD110310A5; FR2222383B1; DK140146C; JPS5438657B2; IT987038B; BR7402308D0; EG11444A

Description

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la preparazione di fibre cellulosiche inglobanti enzimi. The present invention relates to a process for the preparation of cellulosic fibers incorporating enzymes.

È noto che moltissime reazioni, che altrimenti non potrebbero essere realizzate o necessiterebbero di condizioni operative più drastiche, sono invece effettuabili quando vengono catalizzate da enzimi. It is known that many reactions, which otherwise could not be carried out or would require more drastic operating conditions, can instead be carried out when they are catalyzed by enzymes.

È parimenti noto l'impiego di enzimi inglobati in fibre i quali esplicano la loro attività catalitica senza disperdersi nella massa di reazione. It is also known the use of enzymes incorporated in fibers which perform their catalytic activity without dispersing in the reaction mass.

L'inglobamento dall'enzima è realizzato mediante l'impiego di una fibra di materiale polimerico artificiale o sintetico. The incorporation from the enzyme is achieved by using a fiber of artificial or synthetic polymeric material.

Le fibre inglobanti enzima possono essere preparate a partire da soluzioni di polimero capace di dare fibre nelle quali vengono dispersi preparati enzimatici in forma di minutissime goccioline dell'ordine di grandezza delle emulsioni. The enzyme incorporating fibers can be prepared from polymer solutions capable of giving fibers in which enzymatic preparations are dispersed in the form of minute droplets of the order of magnitude of the emulsions.

L'emulsione così ottenuta può essere filata ad umido o a secco per dare una fibra che presenta nel suo interno piccolissime cavità nelle quali si dispongono gli enzimi che sono separati dall'ambiente da una sottilissima membrana. Le fibre inglobanti enzimi fino ad ora impiegate, e che costituiscono l'oggetto del brevetto italiano n. 836 462 a nome della stessa richiedente, vengono ottenute a partire da polimeri capaci di dare fibre quali ad esempio derivati della cellulosa, ma non è noto che esse possano essere preparate a partire direttamente dalla cellulosa non rigenerata per le difficoltà che quest'ultima presenta quando sottoposta ai successivi processi di filatura. The emulsion thus obtained can be spun wet or dry to give a fiber which has very small cavities inside which the enzymes are disposed which are separated from the environment by a very thin membrane. The enzyme incorporating fibers hitherto used, and which form the subject of Italian patent no. 836 462 in the name of the same applicant, are obtained from polymers capable of giving fibers such as cellulose derivatives, but it is not known that they can be prepared directly from unregenerated cellulose due to the difficulties that the latter presents when subjected to subsequent spinning processes.

L'uso di fibre cellulosiche inglobanti gli enzimi presenta il vantaggio rispetto agli altri tipi di fibre di una maggiore attività rispetto alle reazioni enzimatiche, dovuta all'aumento di permeabilità della fibra stessa. L'azione catalitica degli enzimi contenuti nelle fibre è condizionata infatti dai processi diffusivi per cui l'attività enzimatica è funzione della permeabilità. The use of cellulosic fibers incorporating enzymes has the advantage over other types of fibers of greater activity than enzymatic reactions, due to the increase in permeability of the fiber itself. The catalytic action of the enzymes contained in the fibers is in fact conditioned by the diffusion processes whereby the enzymatic activity is a function of permeability.

Non sempre si ottengono fibre inglobanti enzima ad elevata permeabilità operando semplicemente sulle condizioni di preparazione della fibra, in quanto si è notato che, quando la concentrazione dell'enzima è alta, la permeabilità è ancora un fattore limitante. Enzyme incorporating fibers with high permeability are not always obtained by simply operating on the fiber preparation conditions, since it has been noted that, when the concentration of the enzyme is high, permeability is still a limiting factor.

È stato ora trovato, ciò che costituisce un oggetto della presente invenzione, che è possibile preparare fibre cellulosiche inglobanti enzimi partendo da polimeri cellulosici contenenti sostituenti i quali vengono emulsionati opportunamente con le soluzioni enzimatiche, quindi filati e infine le fibre cosi ottenute sono sottoposte a reazioni che causano la rimozione del sostituente, generando così una fibra a base cellulosica non sostituita inglobante l'enzima presentante permeabilità di gran lunga superiore a quella della stessa fibra a base di cellulosa sostituita. It has now been found, what constitutes an object of the present invention, that it is possible to prepare cellulosic fibers incorporating enzymes starting from cellulosic polymers containing substituents which are suitably emulsified with the enzymatic solutions, then spun and finally the fibers thus obtained are subjected to reactions which cause the removal of the substituent, thus generating an unsubstituted cellulosic fiber incorporating the enzyme which has permeability far superior to that of the substituted cellulose fiber itself.

Il procedimento per la preparazione di fibre cellulosiche inglobanti enzimi è definito nella rivendicazione 1. The process for the preparation of cellulosic fibers incorporating enzymes is defined in claim 1.

Il procedimento della presente invenzione si basa dunque essenzialmente su una modifica chimica a carico del materiale fibrogeno di partenza per l'azione di agenti riducenti e di condizioni operative tali da non danneggiare l'enzima. The process of the present invention is therefore essentially based on a chemical modification of the starting fibrogen material due to the action of reducing agents and operating conditions such as not to damage the enzyme.

Il procedimento oggetto della presente invenzione permette di superare tutti i citati inconvenienti e le fibre inglobanti enzimi, ottenute dopo il processo di riduzione e che costituiscono a loro volta un secondo oggetto dell'invenzione definito nella rivendicazione 7, hanno tutte un elevato grado di permeabilità. The process of the present invention allows to overcome all the aforementioned drawbacks and the enzyme incorporating fibers, obtained after the reduction process and which in turn constitute a second object of the invention defined in claim 7, all have a high degree of permeability.

Il materiale di partenza impiegato consiste essenzialmente di nitrocellulosa ad alto peso molecolare e con un contenuto in azoto tale da rendere sostanzialmente solubile il materiale in solventi organici e preferibilmente superiore al 5 %. The starting material used consists essentially of high molecular weight nitrocellulose and a nitrogen content such as to make the material substantially soluble in organic solvents and preferably higher than 5%.

Essa viene disciolta in un solvente che non sia solubile in acqua scelto tra normalbutilacetato, dibutilftalato, metilamilchetone, etilamilchetone ed altri, i quali possono essere impiegati come tali oppure opportunamente diluiti con idrocarburi alifatici come pentano, esano, eptano, ottano, idrocarburi aromatici come toluolo e xilolo, oppure miscele di idrocarburi come etere di petrolio. Alla soluzione di nitrocellulosa viene aggiunta la soluzione acquosa contenente l'enzima il quale può essere scelto da una vasta gamma di nomi. Ad esempio si possono impiegare ureasi, invertasi, lattasi, acilasi, transaminasi, glucosio-ossidasi, catalasi, papaina, penicillina, acilasi ed altri. L'emulsione viene poi filata secondo le tecniche note utilizzando coagulanti noti quali ad esempio quelli riportati nel brevetto italiano prima citato. Oltre al procedimento di dispersione in emulsione dell'enzima nella soluzione del polimero, altri procedimenti possono essere previsti per preparare fibre contenenti inglobato l'enzima. Ad esempio detto enzima può essere disperso come polvere nel polimero che verrà poi filato secondo metodi noti. La fibra in questo modo ottenuta viene fatta reagire con un agente riducente che elimina il nitrogruppo dando così origine alla fibra cellulosica inglobante l'enzima oggetto della presente invenzione. It is dissolved in a solvent which is not soluble in water selected from normalbutylacetate, dibutylphthalate, methylamylketone, ethylamylketone and others, which can be used as such or suitably diluted with aliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane, heptane, octane, aromatic hydrocarbons such as toluene. and xylene, or mixtures of hydrocarbons such as petroleum ether. To the nitrocellulose solution is added the aqueous solution containing the enzyme which can be chosen by a wide range of names. For example urease, invertase, lactase, acylase, transaminase, glucose oxidase, catalase, papain, penicillin, acylase and others can be used. The emulsion is then spun according to known techniques using known coagulants such as, for example, those reported in the aforementioned Italian patent. In addition to the emulsion dispersion process of the enzyme in the polymer solution, other processes may be provided for preparing fibers containing the enzyme incorporated. For example said enzyme can be dispersed as a powder in the polymer which will then be spun according to known methods. The fiber thus obtained is reacted with a reducing agent which eliminates the nitrogroup thus giving rise to the cellulosic fiber incorporating the enzyme object of the present invention.

Come agenti riducente vengono impiegate soluzioni di solfidrato ammonico contenenti o no lievi eccessi di ammoniaca o idrogeno solforato. As reducing agents, ammonium sulfhydrate solutions are used, containing or not slight excesses of ammonia or hydrogen sulphide.

Ulteriori dettagli operativi risulteranno più evidenti dall'esame degli esempi qui di seguito riportati. Further operational details will be more evident from the examination of the examples given below.

Esempio 1 Example 1

1.000 g di nitrocellulosa vongono sciolti in una soluzione costituita da 6.900 g di normalbutilacetato e 4.600 g di toluolo. Quindi vengono aggiunti 1.600 g di una soluzione acquosa contenente l'enzima invertasi. 1,000 g of nitrocellulose are dissolved in a solution consisting of 6,900 g of normalbutylacetate and 4,600 g of toluene. Then 1,600 g of an aqueous solution containing the invertase enzyme are added.

Per agitazione si ottiene una emulsione che viene filata s By stirring an emulsion is obtained which is spun s

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attraverso fori del diametro di 125 (a, utilizzando come coagulante una miscela di idrocarburi saturi aventi punti di ebollizione compresi tra 40 e 70° C. through holes with a diameter of 125 (a, using as a coagulant a mixture of saturated hydrocarbons having boiling points between 40 and 70 ° C.

Si ottengono circa 2.600 g di fibra avente l'enzima inglobato. About 2,600 g of fiber are obtained having the enzyme incorporated.

1.000 g di questa fibra immersi in una soluzione di saccarosio al 20 % a pH 4.5 invertono 40 g di zucchero al minuto. 1,000 g of this fiber immersed in a 20% sucrose solution at pH 4.5 invert 40 g of sugar per minute.

1.000 g di fibra vengono trattati con una soluzione di ammoniaca al 2 % che è stata saturata con idrogeno solforato fino ad ottenere un pH di 8.5. 1,000 g of fiber are treated with a 2% ammonia solution which has been saturated with hydrogen sulphide to obtain a pH of 8.5.

Dopo 6 ore di reazione questa seconda fibra viene lavata e quando è immersa nella soluzione di saccarosio al 20 % a pH 4.5 inverte 490 g di zucchero al minuto. After 6 hours of reaction this second fiber is washed and when it is immersed in the 20% sucrose solution at pH 4.5 it inverts 490 g of sugar per minute.

Esempio 2 Example 2

In una miscela costituita da 7.000 g di normal-butilacetato e 3.750 g di toluolo vengono sciolti 1.000 g di nitrocellulosa a temperatura ambiente. Ottenuta la soluzione si aggiungono 2.000 g di una soluzione acquosa dell'enzima inventasi. 1,000 g of nitrocellulose are dissolved in a mixture consisting of 7,000 g of normal-butyl acetate and 3,750 g of toluene at room temperature. Once the solution is obtained, 2,000 g of an aqueous solution of the enzyme invented are added.

Per agitazione si ottiene una emulsione che viene ad 1 ° C filata attraverso fori del diametro di 125 [a e coagulata a 20° C in una miscela di idrocarburi saturi aventi i punti di ebollizione compresi tra 60 e 80° C. Si Ottengono circa 3.000 g di fibra. By stirring an emulsion is obtained which is spun at 1 ° C through holes with a diameter of 125 [a and coagulated at 20 ° C in a mixture of saturated hydrocarbons having the boiling points between 60 and 80 ° C. Approximately 3,000 g are obtained of fiber.

1.000 g di quest'ultima fibra immersi in una soluzione di saccarosio al 20 % a pH 4.5 convertono 505 g di zucchero al minuto. 1,000 g of the latter fiber immersed in a 20% sucrose solution at pH 4.5 convert 505 g of sugar per minute.

Altri 1.000 g di fibra vengono trattati per 6 ore con una soluzione di ammoniaca saturata con idrogeno solforato come descritto nell'esempio 1. Dopo il trattamento questa seconda porzione di fibra, immersa in una soluzione di saccarosio uguale a quella della prima porzione convertono 1.890 g di zucchero al minuto. Another 1,000 g of fiber are treated for 6 hours with an ammonia solution saturated with hydrogen sulfide as described in Example 1. After the treatment, this second portion of fiber, immersed in a sucrose solution equal to that of the first portion, convert 1,890 g. of sugar per minute.

Esempio 3 Example 3

In una miscela costituita da 7.000 g di normal-butilacetato e 3.750 g di toluolo si sciolgono 1.000 g di nitrocellulosa. 1,000 g of nitrocellulose are dissolved in a mixture consisting of 7,000 g of normal-butyl acetate and 3,750 g of toluene.

Si aggiungono quindi 2.000 g di una soluzione acquosa dell'enzima penicillina-amidasi e si agita ottenendo una emulsione. 2,000 g of an aqueous solution of the penicillin-amidase enzyme are then added and the mixture is stirred to obtain an emulsion.

Si fila l'emulsione come descritto nell'esempio 1 ottenendo circa 3.000 g di fibra. The emulsion is spun as described in Example 1 to obtain about 3,000 g of fiber.

1.500 g di fibra vengono immersi in 37,5 litri di una soluzione di fosfato di potassio 10-i molare a pH 6.0 contenente 1.500 g di penicillina G potassica a 37° C. 1,500 g of fiber is immersed in 37.5 liters of a 10-i molar potassium phosphate solution at pH 6.0 containing 1,500 g of potassium penicillin G at 37 ° C.

L'enzima contenuto nella fibra catalizza l'idrolisi (iella penicillina con conseguente formazione di acido 6-amminopeni-cillanico ed acido fenilacetico. The enzyme contained in the fiber catalyses hydrolysis (iella penicillin with consequent formation of 6-aminopene-cillanic acid and phenylacetic acid.

Durante la reazione il pH viene mantenuto costante con aggiunta di soda. During the reaction the pH is kept constant with the addition of soda.

In questo modo si ha la conversione del 90 % della penicillina dopo 227 minuti. In this way, 90% of penicillin is converted after 227 minutes.

2.000 g di una soluzione acquosa dell'enzima penicillina-amidasi vengono inglobati in 1.000 g di nitrocellulosa analogamente a quanto descritto sopra e quindi trattati nella soluzione ammoniacale saturata con idrogeno solforato come descritto nell'esempio 1. 2,000 g of an aqueous solution of the penicillin-amidase enzyme are incorporated in 1,000 g of nitrocellulose in the same way as described above and then treated in the ammonia solution saturated with hydrogen sulphide as described in example 1.

Una identica soluzione di penicillina-amidasi viene dispersa in una soluzione ottenuta sciogliendo 1.000 g di triacetato di cellulosa in 13.300 g di cloruro di metilene. An identical penicillin-amidase solution is dispersed in a solution obtained by dissolving 1,000 g of cellulose triacetate in 13,300 g of methylene chloride.

Questa emulsione viene filata come descritto nell'esempio 1 utilizzando come coagulante il toluolo. This emulsion is spun as described in Example 1 using toluene as a coagulant.

1.000 g della prima fibra, immersi a 37° C in 25 litri di una soluzione di fosfato di potassio IO-1 molare a pH 8.0 contenente penicillina G potassica al 10 %, idrolizzano il 90 % della penicillina in 219 minuti. 1,000 g of the first fiber, immersed at 37 ° C in 25 liters of a pH 8.0 molar potassium IO-1 phosphate solution containing 10% potassium penicillin G, hydrolyze 90% of the penicillin in 219 minutes.

La seconda fibra nelle stesse condizioni idrolizza il 90 % della penicillina in 298 minuti. The second fiber under the same conditions hydrolyzes 90% of penicillin in 298 minutes.

Altri 1.500 g di fibra vengono trattati con la soluzione di ammoniaca saturata di idrogeno solforato come descritto nell'esempio 1. Quindi nelle stesse condizioni della fibra non trattata causa la conversione del 90 % della penicillina in 56 minuti. Another 1,500 g of fiber are treated with the hydrogen sulfide-saturated ammonia solution as described in Example 1. Then under the same conditions as the untreated fiber it causes the conversion of 90% of penicillin in 56 minutes.

È ovvio che quanto detto per le fibre potrebbe essere esteso a films, microcapsule o prodotti analoghi contenenti enzimi. It is obvious that what has been said for fibers could be extended to films, microcapsules or similar products containing enzymes.

Solo il grande interesse della richiedente nel campo specifico delle fibre ha spinto la stessa a non estendere oltre l'esemplificazione, ma sarà semplice per l'esperto dell'arte applicare i principi dell'invenzione ad altri materiali senza tuttavia uscire dall'ambito della stessa. Only the great interest of the applicant in the specific field of fibers has pushed the same not to extend beyond the exemplification, but it will be simple for the expert of the art to apply the principles of the invention to other materials without however leaving the scope of the same .

Analogamente sarà semplice per chiunque conosca il campo passare a trattare materiali polimerici di partenza diversi dalla nitrocellulosa, alla quale ci siamo particolarmente riferiti, allo scopo di meglio' esemplificare l'invenzione stessa. Similarly, it will be easy for anyone familiar with the field to go on to treat starting polymeric materials other than nitrocellulose, to which we have particularly referred, in order to better exemplify the invention itself.

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Claims

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1. Procedure for the preparation of cellulosic fibers incorporating enzymes consisting of dissolving a cellulose substitute derivative in a water insoluble solvent, adding an aqueous solution of the enzyme to the solution, subjecting the emulsion to spinning and clotting conditions and finally treating the fiber obtained with a reducing agent, thus removing the substituent in operating conditions that do not damage the enzyme.

2. Process according to claim 1, characterized in that the substituted cellulose derivative is nitrocellulose.

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3. Process according to claim 1, characterized in that the reducing agent is constituted by ammonium hydrogen sulfide solutions, as such and containing a small amount of ammonia or hydrogen sulphide.

4. Process according to claim 1, characterized in that the substituted cellulose derivative is dissolved in a water insoluble solvent selected from normal butyl acetate, dibutyl phthalate, methyl amylketone and ethyl amyl ketene.

5. Process according to claims 1 and 4, characterized in that the substituted cellulose derivative is dissolved in a water insoluble solvent added with a diluent selected from aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons or hydrocarbon mixtures.

6. Process according to claim 1, characterized in that the enzyme is selected from urcase, invertase, lactase, acylase, transaminase, glucose oxidase, catalase, papain, trinophane syntetase and penicillin amidase.

7. Cellulosic fibers containing enzymes suitable to exemplify catalytic activity in enzymatic reactions and having a high permeability, produced by the process according to claim 1.