DD295861B5 - Verfahren zur Herstellung perlfoermiger Celluloseprodukte - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung perlförmiger Celluloseprodukte, die als Trenn- und Trägermaterialien im Bereich der Biochemie, Biotechnologie, Medizin und Pharmazie Anwendung finden können.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Perlförmige Celluloseprodukte stellen im Vergleich zu anderen Trenn- und Trägermaterialien ein relativ preiswertes, vielseitig einsetzbares Material dar, das in zunehmendem Umfang z. B. für chromatographische Zwecke, als selektives oder spezifisches Adsorbens bei der Blutdetoxikation, als Microcarrier für die Vermehrung von Zellen oder für die Enzyminnmobilisierung und als polymeres Trägermaterial für Controlled release Präparate Verwendung findet. Zur Herstellung derartiger Celluloseprodukte sind inzwischen zahlreiche Verfahren vorgeschlagen worden. Alle diese Verfahren basieren darauf, daß man entweder eine Cellulose- oder eine Cellulosederivatlösung zu Tröpfchen verformt, die Tröpfchen koaguliert und die Cellulose regeneriert. Die wesentlichsten Unterschiede bestehen in der Art des verwendeten Ceilulosematerials, des verwendeten Lösungsmittels sowie der Art und Weise der Koagulation bzw. Regenerierung. Für die direkte Auflösung der Cellulose kommen nur wenige entweder teure, z. T. schlecht handhabbare oder wenig umweltfreundliche Lösungsmittel in Frage, wie z. B. Cuoxam u.a. (DE-PS 1792 230), CaSCN-Schmelzen (JP-PS 80-44312; Kuga, J.: Chromatogr. 195 Ц980) 221-230), Dimethylsulfoxid/Paraformaldehyd (JP-PS82-159802) u.a. Systeme, deren Aufbereitung recht kompliziert und aufwendig ist.

Andere Verfahren gehen von alkalischen Cellulosexanthogenatlösungen aus, die entweder in ein saures Fällbad gesprüht oder nach Dispergieren in einem nicht mit Wasser mischbaren Lösungsmittel durch saure oder thermische Zersetzung koaguliert werden (DD-WP 147114, US-PS 2543928, DE-OS 2005408, DD-WP 206679, DD-WP 118867). Der wesentlichste Nachteil dieser Verfahren ist, daß sie durch die bei der Koagulation bzw. Regenerierung freiwerdenden Schwefelverbindungen oder die in großen Mengen als Dispersionsmedium benötigten organischen Lösungsmittel in relativ starkem Maße die Umwelt belasten. Eine andere Gruppe von Verfahren geht von hochsubstituierten organolöslichen Estern der Cellulose aus, wobei bevorzugt Celluloseacetat mit Substitutionsgraden oberhalb von 2,5 zum Einsatz kommt. Als Lösungsmittel dienen Methylenchlorid oder andere Halogenkohlenwasserstoffe, deren Anwendung aufgrund ihrer z.T. beträchtlichen Toxizität zu erheblichen Umweltproblemen führt. Nach Dispergieren der Lösung in Wasser, Verdampfen des Lösungsmittels und Verseifen des perlförmigen Celluloseester mit Lauge werden ebenfalls perlförmige Regeneratcelluloseprodukte erhalten. Nachteil dieser Verfahren ist die geringe Variationsbreite bezüglich der Verwendung geeigneter (untoxischer oder wenig toxischer) Lösungsmittel.

Ein weiterer wesentlicher Nachteil der genannten Verfahren besteht insbesondere auch darin, daß weitere chemische Modifizierungen, die eine Anpassung der Produkteigenschaften an das entsprechende Applikationsproblem erlauben, ausschließlich im Anschluß an die Perlherstellung erfolgen können und dann unter ungünstigen heterogenen Reaktionsbedingungen

durchgeführt werden müssen. Diese Probleme resultieren aus den verfahrensbedingt einzusetzenden Lösungsmitteln, die z.T. für chemische Umsetzungen ungeeignet sind und/oder die modifizierten Cellulosetypen besitzen nicht mehr die erforderlichen Löslichkeiten. Darüber hinaus muß der Substitutionsgrad der Ausgangspräparate zur Erreichung der gewünschten Löslichkeit z.T. so hoch gewählt werden (z. B. Celluloseacetat > 2,5), daß ohnehin kaum freie Hydroxylgruppen für Derivatisierungsreaktionen zur Verfügung stehen.

Weiterhin gelingt mit den beschriebenen Verfahren, die von Cellulosederivaten ausgehen, keine selektive Abspaltung von Substituenten, so daß auch aus diesem Grund bisher ausschließlich die koagulierten und regenerierten Perlen weiter modifiziert werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein verbessertes Vefahren zur Herstellung perlförmiger Celluloseprodukte, welches sich durch Einfachheit, hohe Variabilität und die Möglichkeit der gleichzeitigen Herstellung unmodifizierter oder auch modifizierter Perlcellulosetypen auszeichnet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung perlförmiger Celluloseprodukte zu erarbeiten, bei dem durch Einsatz leicht herstellbarer und einfach zu regenerierender Cellulosederivate sowohl die Herstellung unmodifizierter als auch modifizierter Perlcelluloseprodukte möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Trialkylsilylderivate von Cellulose oder Cellulosederivaten in einem leicht flüchtigen organischen Lösungsmittel, gegebenenfalls unter Zusatz weiterer Substanzen gelöst werden, die Lösung in Wasser gegebenenfalls unter Zusatz von Emulgatoren und/oder Schutzkdlloiden dispergiert wird, das organische Lösungsmittel verdampft und die Cellulose bzw. das Cellulosederivat durch Behandlung mit Säuren oder Laugen regeneriert wird. Die Löslichkeit des Cellulosematerials in einem leichtflüchtigen Lösungsmittel, wie z.B. C1-und C2-Halogenkohlenwasserstoffen, aliphatischen oder cycloaliphatischen C5- bis C8-Kohlenwasserstoffen, wird durch einen definierten Gehalt an Trialkylsilylgruppen erzielt, wobei sich erfindungsgemäß ein Substitutionsgrad von 1,5 bis 3,0 als vorteilhaft erwiesen hat. Als Cellulosematerial kann native Cellulose, Regeneratcellulose oder ein beliebiges noch genügend freie Hydroxylgruppen aufweisendes Cellulosederivat verwendet werden, wobei der Polymerisationsgrad bei etwa 150 bis 1500 liegen sollte. Der Cellulosegehalt in der Polymerlösung kann zwischen 0,5 und 20 Masseanteile in %, vorzugsweise 1 bis 10 Masseanteile in %, betragen. Zur Erzielung bestimmter vorteilhafter Eigenschaften, wie z. B. der Quellbarkeit, Porösität oder des Sorptionsverhaltens, können der Polymerlösung weitere geeignete Substanzen (beispielsweise niedermolekulare oder polymere Alkohole, Tenside, anorganische Pulver oder organische Polymere) zugesetzt werden. So hat sich z. B. zur Erhöhung der Porosität der Produkte der Zusatz von 1 bis 100 Masseanteile in %, bezogen auf Trialkylsilylcellulose, eines C 3- bis C 10-Alkohols oder von Polyvinylacetat als günstig erwiesen.

Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen in den Möglichkeiten wenig bzw. nicht toxische Lösungsmittel einzusetzen und in einem Verfahrensschritt auch partiell substituierte Perlcelluloseprodukte zu gewinnen. Anhand der nachfolgend aufgeführten Beispiele soll die vorliegende Erfindung näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

4g Trimethylsilylcellulose mit einem Durchschnittssubstitutionsgrad (DS) von 2,4 und einem Durchschnittspolymerisationsgrad (DP) von ca. 150 werden in 100ml Methylenchlorid gelöst. Die erhaltene Lösung wird mit Hilfe eines Laborrührwerkes in einem Dispersionsmedium aus 500ml Wasser, 5g Gelatine und 0,8g Emulgator (Tween 20) bei Raumtemperatur dispergiert. Durch Überleiten eines Luftstromes und stufenweise Erhöhung der Temperatur bis auf 35^eC wird das Lösungsmittel verdunstet. Nach insgesamt 3,5 h werden die gebildeten Trimethylsilylcelluloseperlen abfiltriert, mit Wasser gewaschen und 12 h in 0,5 N wäßriger Salzsäure bei Raumtemperatur behandelt.

Nach dem Auswaschen mit Wasser werden poröse perlförmige Regeneratcelluloseprodukte erhalten, die eine mittlere Teilchengröße von ca. 150цт aufweisen und deren Wasserrückhaltevermögen 250% beträgt. Der Restsiliziumgehalt ist 0,9% entsprechend einem DS von 0,05.

Beispiel 2

6 g Trimethylsilylcellulose mit einem DS von 2,8 und einem DP von ca. 150 werden in 100 ml η-Hexan gelöst. Die Lösung wird mit Hilfe eines Laborrührwerkes in einem Dispersionsmedium aus 500ml Wasser, 5g Gelatine und 0,5g Emulgator bei Raumtemperatur dispergiert. Durch sukzessive Erhöhung der Temperatur bis auf 65°C und gleichzeitiges Überleiten eines Luftstromes über die Dispersion wird das Lösungsmittel verdunstet, wodurch die Koagulation der Trimethylsilylcellulose in Kugelform erreicht wird. Die gebildeten Perlen werden abfiltriert, mit Wasser gewaschen und12hinO,5N wäßriger Natronlauge bei Raumtemperatur gerührt. Nach dem Auswaschen mit Wasser werden poröse Regeneratcelluloseperlen erhalten, die eine mittlere Teilchengröße von ca. 180 цт und ein Wasserrückhaltevermögen von 250% aufweisen.

Beispiel 3

4g Trimethylsilylcellulose mit einem DS von 2,8 und einem DP von ca. 150 werden in 100 ml η-Hexan gelöst. Die Lösung wird mit Hilfe eines Laborrührwerkes in einem Dispersionsmedium aus 500ml Wasser, 5g Gelatine und 3 Tropfen Emulgator bei Raumtemperatur dispergiert. Unter gleichzeitigem Überleiten eines Luftstromes wird die Dispersion auf 50°C erwärmt. Nach

2,5 h werden 132 ml 10%ige HCI zugesetzt und weitere 2h bei 5O⁰C gerührt. Nachdem Abkühlen auf Raumtemperatur werden die gebildeten Perlen abfiltriert und mit Wasser gewaschen. Es werden poröse Regeneratcelluloseperlen mit einer mittleren Teilchengröße von ca. 150 pm und einem Wasserrückhaltevermögen von 296% erhalten. Der Gehalt an Si beträgt 0,3% entsprechend einem DS von 0,02 Trimethylsilylgruppen.

Beispiel 4

2gTrimethylsilylcellulose mit einem DS von 2,6 und einem DP von ca. 1500 werden in 125ml η-Hexan gelöst. Die Lösung wird mit Hilfe eines Laborrührwerkes in einem Dispersionsmedium aus 12,5g Gelatine, 625 ml Wasser und 0,5g Emulgator bei Raumtemperatur dispergiert. Unter gleichzeitigem Überleiten eines Luftstromes wird die Dispersion innerhalb von 2,5 h auf 50⁰C erwärmt. Danach werden 165 ml 10%ige HCI zugesetzt, und es wird weitere 2 h bei 5O⁰C gerührt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur werden die gebildeten Perlen abfiltriert, mit Wasser gewaschen, 12 h in 0,5 N HCI stehen gelassen und erneut mit Wasser gewaschen. Es werden poröse Regeneratcelluloseperlen mit einer mittleren Teilchengröße von ca. 300 μη\ und einem Wasserrückhaltevermögen von 2300% erhalten. Der Restsiliziumgehalt beträgt < 1 %.

Beispiel 5

1 gTrimethylsilylcelluloselDSsi 2,2), die zusätzlich 3,5-Dinitrobenzoylgruppen enthält (DS_E«ter 0,62) wird in 50ml Methylenchlorid gelöst. Die erhaltene Lösung wird mit Hilfe eines Laborrührwerkes in einem Dispersionsmedium aus 500 ml Wasser, 5 g Gelatine und 0,8g Emulgator (Tween 20) bei Raumtemperatur dispergiert. Durch Überleiten eines Luftstromes und sukzessive Erhöhung der Temperatur bis auf 35°C wird das Lösungsmittel verdunstet. Nach insgesamt 4 h werden die koagulierten Teilchen abfiltriert, mit Wasser gewaschen und 12h in 0,5N wäßriger Salzsäure bei Raumtemperatur stehen gelassen. Es werden perlförmige 3,5-Dinitrobenzoylcelluloseteilchen erhalten, die eine mittlere Teilchengröße von ca. 120pm aufweisen und deren Wasserrückhaltevermögen 141 % beträgt. Das Produkt enthält 5,6% (DS_E,ier: 0,58) und noch 2,1 % Si (DSsj: 0,21).

Beispiel 6

Gemäß Beispiel 1 wird eine Lösung von Trimethylsilylcellulose hergestellt und dispergiert, wobei die Dispergierung zunächst 1 min mit Hilfe eines Ultra Turrax erfolgt. Die weitere Aufarbeitung erfolgt wie beschrieben. Dabei werden feinteilige Regeneratcelluloseperlen mit einer mittleren Teilchengröße von ca. 30 цт und einem Wasserrückhaltevermögen von 228% erhalten. Der Rest-Si-Gehalt beträgt 0,78% entsprechend einem DS von 0,04.

Beispiel 7

Gemäß Beispiel 1 werden perlförmige Regeneratcelluloseteilchen hergestellt, wobei der Trimethylsilylcelluloselösung 50 Masseanteile in % n-Pentanol bezogen auf Trimethylsilylcellulose zugesetzt werden. Es werden Regeneratcelluloseperlen erhalten, deren Wasserrückhaltevermögen 450% beträgt.

Beispiel 8

Gemäß Beispiel 1 werden perlförmige Regeneratcelluloseteilchen hergestellt, wobei der Trimethylsilylcelluloselösung 50 Masseanteile in % Polyvinylacetat, bezogen auf Trimethylsilylcellulose zugesetzt werden und die Abspaltung der Trimethylsilylgruppen mit 0,5 N NaOH während 12 h bei Raumtemperatur erfolgt. Es werden Regeneratcelluloseperlen erhalten, deren Wasserrückhaltevermögen 500% beträgt.

Beispiel 9

4g TrimethylsilylcelluloseacetatfDSsi 1,56, DSacui 1,41) mit einem Durchschnittspolymerisationsgrad von 200 werden in 100ml Chlorophorm gelöst. Die erhaltene Lösung wird mit Hilfe eines Laborrührwerkes in einem Dispersionsmedium aus 500ml Wasser, 5g Gelatine und 0,5g Emulgator bei Raumtemperatur dispergiert. Durch sukzessive Erhöhung der Temperatur bis auf 60°C und gleichzeitiges Überleiten eines Stickstoffstroms über die Dispersion wird das Lösungsmittel verdunstet. Nach insgesamt 3,5 h werden die gebildeten Perlen abfiltriert, mit Ethanol und Wasser gewaschen und 12 h in 0,5N ethanolischer Salzsäure (50VoI.-% Ethanol) bei Raumtemperatur gerührt. Nach dem Auswaschen werden Celluloseacetatperlen erhalten, die eine mittlere Teilchengröße von 200μπι und ein Wasserrückhaltevermögen von 274% aufweisen.

Beispiel 10

1 g hochmolekulare Trimethylsilylcellulose (DS_si...), die zusätzlich Methoxylgruppen enthält (DS₀CH, ca. 0,15), wird in 100ml η-Hexan gelöst. Die erhaltene Lösung wird analog Beispiel S emulgiert. Die entstehenden Tröpfchen werden durch Verdunsten des Lösungsmittels bei schrittweise bis auf 65°C ansteigender Temperatur und weiteres 2stündiges Rühren koaguliert. Anschließend werden die gebildeten Perlen abfiltriert, mit heißem Wasser gewaschen und durch Behandlung mit 0,5 N NaOH während 12 h und anschließendes Waschen mit Wasser desilyliert.

Die entstehenden Cellulosederivatperlen besitzen Teilchengrößen von 100 bis 250 цт und einen Rest-Si-Gehalt von 0,5%. Das Wasserrückhaltevermögen beträgt 346%.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung perlförmiger Celluloseprodukte durch Dispergieren einer Cellulosederivatlösung in einem geeigneten Dispersionsmedium, Koagulation der gebildeten Tröpfchen und Regenerierung der Cellulose, gekennzeichnet dadurch, daß Trialkylsilylether von Cellulosederivaten in einem leichtflüchtigen organischen Lösungsmittel, gegebenenfalls unter Zusatz weiterer Substanzen gelöst, die Lösung in Wasser, gegebenenfalls unter Zusatz von Emulgatoren und/oder Schutzkolloiden dispergiert, das organische Lösungsmittel verdampft und das Cellulosederivat durch Behandlung mit Säuren oder Laugen regeneriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Trialkylsilylcellulosederivate Trimethylsilylether von Cellulosederivaten mit einem Substitutionsgrad an Trimethylsilylgruppen von 1,5 bis 2,5 und einem Polymerisationsgrad von 150 bis 1500 eingesetzt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß als leicht flüchtige Lösungsmittel C 5- bis C8-Kohlenwasserstoffe oder C1 - bis C 2-Chlorkohlenwasserstoffe oder deren Mischungen verwendet werden und die Konzentration an Trimethylsilylethern 1 bis 10 Masseanteil in % beträgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Lösungsmittel unterhalb der Siedetemperatur verdunstet wird und das Verdunsten durch einen Luftstrom unterstützt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Trimethylsilyletherlösung 10 bis 100 Masseanteil in % Polyvinylacetat, bezogen auf den Trimethylsilylether, zugesetzt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Trimethylsilyletherlösung 1 bis 100 Masseanteil in % Polyvinylacetat, bezogen auf den Trimethylsilylether, zugesetzt wird und die Regenerierung mit Lauge erfolgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Regenerierung während oder nach der Verdampfung des organischen Lösungsmittels ohne Zwischenisolierung der gebildeten Perlen mit 0,1 bis 2N Säuren oder Laugen während 30min bis 12h erfolgt.