DE10155469A1

DE10155469A1 - Poröse Materialien basierend auf templatbildenden Mikroorganismen

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Publication number: DE10155469A1
Application number: DE10155469A
Authority: DE
Original assignee: HTE GmbH; HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Current assignee: HTE GmbH; HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2003-05-28
Also published as: WO2003042287A3; AU2002363761A1; WO2003042287A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Materials aus einer Mischung, umfassend mindestens einen Mikroorganismus, mindestens ein Nährmittel sowie mindestens eine gerüstbildende Substanz, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen in Verbindung mit dem Nährmittel in einem kombinierten Wachstums- und Trocknungsprozess als Templatbildner für die gerüstbildende Substanz wirken. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein nach diesem Verfahren hergestelltes Material, das sich insbesondere durch eine konsekutive oder komplexe, d. h. nicht einfache oder zufällige Verteilung von Porengrößen auszeichnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen oder pulverförmigen porösen Materials aus einer Mischung, umfassend mindestens einen Mikroorganismus, mindestens ein Nährmittel sowie mindestens eine gerüstbildende Substanz, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen in Verbindung mit dem Nährmittel in einem kombinierten Gär-, Wachstums- und Trocknungsprozess als Templatbildner für die gerüstbildende Substanz wirken. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein nach diesem Verfahren hergestelltes Material, das sich insbesondere durch eine konsekutive oder komplexe, d. h. nicht einfache oder zufällige Verteilung von Porengrößen auszeichnet.
Poröse Materialien sind u. a. durch ihre Porengröße, Porengrößenverteilung, Wandstärke sowie ihr Porenvolumen (Porosität) gekennzeichnet. Bezüglich der Porengröße wird im allgemeinen unterschieden zwischen mikroporösen Materialien, mesoporösen Materialien sowie makroporösen Materialien. Die Begriffe "mikroporös", "mesoporös" und "makroporös" werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung so verwendet, wie sie in Pure Appl. Chem., 45, S. 79 (1976) definiert sind, nämlich als Poren, deren Durchmesser oberhalb von 50 nm (makroporös) oder zwischen 2 nm und 50 nm (mesoporös) oder unterhalb von 2 nm liegt (mikroporös). Die Porengrößenverteilung kann u. a. eng oder breit sein, unimodal (ein beherrschender Durchmesser) oder bimodal (zwei Durchmesser koexistent). Von potenziell besonderem Interesse, wenngleich nach dem gegenwärtigen Stand der Technik nicht realisiert, ist ein konsekutiv aufgebautes Porensystem, bei welchem der Porendurchmesser vom Äußeren zum Inneren des porösen Materials sukzessive kleiner oder größer wird. Auch andere komplexe Porenstrukturen, wie beispielsweise sich periodisch von innen nach außen vergrößernde oder verkleinernde Porensysteme sind denkbar. In konsekutiven oder anderweitig komplex angeordneten Porensystemen werden die Transporteigenschaften innerhalb der Materialien, insbesondere die Diffusions-Eigenschaften, vorteilhaft beeinflusst, und der poröse Formkörper erlangt zugleich ein Maximum an Stabilität.
Wandstärke und Porenvolumen sind wesentliche Parameter, die im Wechselspiel die mechanische Stabilität und die freie Oberfläche des porösen Materials festlegen. Idealerweise lassen sich bei einem synthetisch hergestellten porösen Material die oben genannten Parameter sowie weitere, für die spezifische Anwendung bedeutsame Parameter, kontrolliert einstellen und auch in einem möglichst breiten Rahmen variieren.

Poröse anorganische Materialien werden nach dem Stand der Technik im wesentlichen durch "Aufschäumen" des gewünschten gerüstbildenden Materials, beispielsweise einer silikathaltigen Gießmasse, an oder in einem Templat hergestellt. Die unterschiedlichen Verfahren zur Herstellung poröser Materialien sind im wesentlichen durch Variation des Templats voneinander abgegrenzt.

Herkömmliche Verfahren zur Herstellung poröser anorganischer Materialien, insbesondere von Kieselgelen, bedienen sich oberflächenaktiver Substanzen wie z. B. ionischer Tenside als strukturgebende Templatbildner und verwenden gegebenenfalls inerte Öle als Quellmittel (siehe z. B. US 5 057 296). Diese Verfahren sind jedoch mit einigen Nachteilen behaftet, wie beispielsweise der inhärent geringen mechanischen Stärke bedingt durch das hohe Porenvolumen, der mangelhaften Strukturkontrolle während der Verfahrensführung, bedingt durch Phasenumwandlungen, sowie bedingt durch die Tatsache, dass kein Formkörper erhalten wird, sondern lediglich ein feines Pulver.

Eine wichtige Weiterentwicklung stellen Sol-Gel Prozesse dar (siehe z. B. US 6 228 340), insbesondere jene, in welchen niedermolekulare, nichtionische, amphiphile grenzflächenaktive Mittel eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in Attard et al., Nature 378 (1995) beschrieben sind. Das Templat wird in diesen Verfahren von den Tröpfchen einer Emulsion gebildet, und die keramische Masse wird in einem Sol-Gel-Prozess auf den Tröpfchen abgeschieden. Das poröse Material wird schließlich durch Trocknen, Altern und Kalzinieren (Brennen) erhalten. Nach diesem Verfahren lassen sich auch monolithische poröse Formkörper herstellen, allerdings sind nur beschränkte Porendurchmesser zugänglich und insbesondere sind Makroporen nicht erhältlich.

Blähtone und -steine (Poroton oder Trolit-Werkstoffe, siehe u. a. EP 0 417 583 B1) werden durch ein weiteres porenbildendes Verfahren hergestellt, in welchem einer bindefähigen keramischen Masse eine oder mehrere thermisch und unter Gasbildung zersetzliche Komponenten zugesetzt werden. Bei der thermischen Härtung der bindefähigen Masse, die bei vergleichsweise hohen Temperaturen stattfindet, wird die Porenbildung über die Zersetzung von z. B. Polymeren oder anorganischen bzw. organischen Peroxiden erreicht. Typischerweise zersetzt sich die zugegebene Komponente entweder vor der Härtung der Masse (bei Trolit- Werkstoffen) oder bei Erreichen des Schmelz- bzw. Weichpunktes der Masse (bei Poroton-Werkstoffen). Bei den beschriebenen Materialien werden makroporöse Systeme erhalten, die aber in der Regel kein ausreichendes Mikro- oder Mesoporenvolumen für wichtige Anwendungen als Katalysatoren oder Sorbentien haben.

Ein weiterer, verwandter Verfahrensweg wird bei der Herstellung von Schaumkeramiken beschritten. Hier bildet ein geschäumtes Polymer das Templat für die gießfähige keramische Masse. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist die geringe Umweltverträglichkeit, die durch das Kalzinieren, verbunden mit dem Verbrennen von Polymeren, bedingt ist. Insbesondere bei Verwendung von Polyurethan-Schaum muss zum einen der relativ hohe Materialpreis berücksichtigt werden und zum anderen die Tatsache, dass sich während des Verfahrens Blausäure und nitrose Gase bilden. Zudem ist auch dieses Verfahren bezüglich der Bandbreite der herstellbaren Porengrößen und Porengrößen-Verteilungen deutlich limitiert und insbesondere sind mikro- oder mesoporöse Anteile nicht erhältlich.

Poröse Materialien von besonderem Interesse, aber auch mit besonders hohen Ansprüchen bezüglich der Eigenschaften des Poren-Systems, sind die Zeolithe, insbesondere die für katalytische Prozesse eingesetzten Zeolithe. Nachteilig bei der industriellen Zeolith-Herstellung nach dem momentanen Stand der Technik ist die Tatsache, dass oft Amine als Templatbildner verwendet werden müssen, die bei der thermischen Zersetzung im Rahmen der Detemplatisierung des Porensystems nitrose Gase erzeugen und somit nicht umweltverträglich sind. Zudem können die nach dem Stand der Technik hergestellten Zeoltihe als solche oft nicht in technischen Prozessen eingesetzt werden, da sie als Pulver, nicht aber als Formkörper vorliegen. Diese Zeolith-Pulver müssen vielmehr mittels bindefähiger keramischer Hilfsmittel in verformbare Massen umgewandelt und dann in Formkörper extrudiert werden.

Ein weiterer Nachteil der nach diesen Verfahren hergestellten Zeolithe besteht darin, dass komplexe, beispielsweise hierarchisch geordnete Porenstrukturen, die für viele Anwendungen wünschenswert sind, nicht während der Porenbildung intrinsisch erhalten werden können, sondern vielmehr zusätzlich mit Hilfe von Porenbildnern, wie etwa kohlenstoffhaltigen Materialien, als sekundäre Porenstrukturen ausgebildet werden müssen.

Zum Stand der Technik gehören weiterhin Verfahren, welche die Nutzung von Mikroorganismen, umfassend Bakterien und Pilze, in porösen Materialien, umfassend Katalysatoren, beinhalten. In den meisten Fällen beschreibt der Stand der Technik allerdings lediglich die Immobilisierung von Mikroorganismen, z. B. Hefen, an einem porösen Träger, z. B. Silikaten oder Harzen, die mit Polyurethan oder anderen, nicht auf Mikroorganismen basierenden, Templaten aufgeschäumt wurden. Chia et al. beschreiben beispielsweise das Eintragen von lebenden Hefezellen in eine Silikat-Matrix (Chia et al., J. Am. Chem. Soc., 122, 6488 (2000)). Ziel dieser Untersuchungen war es, lebende Zellen in einer porösen Matrix zu fixieren und nicht, poröse Materialien mit Hilfe von lebenden Zellen herzustellen. Zhang et al beschreiben die Nutzung von Bakterien als Oberflächentemplate (Zhang et al., Chem. Commun., 781 (2000)). Fasern bakteriellen Ursprungs werden in dieser Arbeit genutzt, um Kristallwachstum auf der Faseroberfläche zu induzieren. Es wird allerdings kein Hinweis auf die Nutzung von mikrobiologischem Wachstum im Sinne der vorliegenden Erfindung gegeben, d. h. zur Herstellung eines porösen Formkörpers. Weiterhin ist das Zumischen von Mikroorganismen, wie beispielsweise photosynthetischen Bakterien oder Hefe zu Beton mit dem Ziel, biologisch aktiven Zement ("bioconcrete") herzustellen, in der Literatur beschrieben (siehe JP 08169745). Auch in diesem Fall werden die Mikroorganismen allerdings nur als Beimengung zugegeben und stellen nicht den eigentlichen Templatbildner zur Erzeugung der Porenstruktur dar.

Das Mitverwenden von geeigneten Mikroorganismen, insbesondere Hefe, und deren Fähigkeit zur Fermentation und dabei insbesondere zur stoffwechselinduzierten Freisetzung von Gasen, die zur Porenbildung führen können, ist in WO 94/17137 beschrieben. Diese Druckschrift beschränkt sich jedoch auf die Herstellung von schwammartigen Materialien aus Hydrokolloiden durch Aufschäumen von Gelen derselben, wobei die Mikroorganismen Zusatzstoffe, aber nicht die Haupt-Templatbildner sind. Weiterhin ist dieses Verfahren, wie alle anderen Verfahren des Standes der Technik, welche die Verwendung von Mikroorganismen beinhalten, dadurch begrenzt, dass nicht offenbart ist, wie mit den beschriebenen Verfahren makroporöse Strukturen oder Systeme mit hierarchisch geordneten Porenstrukturen hergestellt werden können. Erschwerend kommt hinzu, dass bei den angegebenen Materialien stets von hochreinen, d. h. teuren Ausgangsprodukten ausgegangen wird und die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen, billigen und unempfindlichen Materialien oder gar Abfallprodukten nicht beschrieben wird.

Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass es eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung poröser Materialien gibt, einschließlich der Herstellung poröser anorganischer Materialien, dass aber alle diese Verfahren durch zumindest einen der folgenden Nachteile eingeschränkt sind: (i) es kann nur ein feines Pulver hergestellt werden, aber kein poröser monolithischer Formkörper; (ii) es sind nur Poren eines bestimmten Durchmessers erhältlich, z. B. Mikro-, Meso- oder Makroporen, und der Poren-Durchmesser lässt sich nicht durch Verfahrens-Parameter einstellen; (iii) selbst wenn der Porendurchmesser kontrolliert werden kann und uni- oder bimodale Porendurchmesser-Verteilungen eingestellt werden können, so ist es doch nicht möglich, komplexe Porenstrukturen, wie z. B. hierarchisch geordnete Porenstrukturen, intrinsisch, d. h. während der Porenbildung am Templat, einzustellen; (iv) die als Templat eingesetzten Materialien sind oftmals entweder teuer oder aber toxikologisch oder bezüglich ihrer biologische Abbaubarkeit als bedenklich einzustufen, insbesondere im Zusammenhang mit Anwendungen in der Nahrungsmittelindustrie, der pharmazeutischen Industrie, der Biotechnolgie und der Medizintechnik.

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht deshalb darin, ein Verfahren zu entwickeln, welches es ermöglicht, aus extrem preiswerten, praktisch als Abfallstoffen anfallenden Grundsubstanzen, die zugleich toxikologisch unbedenklich und biologisch abbaubar sind, poröse, vorzugsweise anorganische, Materialien herzustellen, die insbesondere, aber nicht ausschließlich dadurch gekennzeichnet sind, dass Mikro-, Meso- und Makroporen durch einfaches Variieren von Prozessparametern kontinuierlich und gezielt eingestellt werden können. Weiterhin ermöglicht die vorliegende Erfindung das Erzeugen von Porenstrukturen mit klar verschiedenen Porendurchmessern, wie beispielsweise einer Struktur, in welcher Mikro- und Makroporen im selben Formkörper nebeneinander vorliegen und ohne die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung hergestellt werden können. Die Erfindung ermöglicht es zudem, insbesondere hierarchisch angeordnete Porenstrukturen im primären Porenbildungsprozess in situ zu erzeugen, d. h. Porensysteme, bei denen der Porendurchmesser vom Äußeren hin zum Inneren des Materials sukzessive kleiner oder größer wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, geeignet zur Herstellung eines porösen Materials aus einer Mischung, umfassend mindestens einen Mikroorganismus, mindestens ein Nährmittel sowie mindestens eine gerüstbildende Substanz, und dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen in Verbindung mit dem Nährmittel in einem kombinierten Wachstums- und Trocknungsprozess als Templatbildner für die gerüstbildende Substanz wirken. Die Zugabe eines zusätzlichen Templatbildners, der aus dem Stand der Technik bekannt sein kann, sowie weiterer Zusatzstoffe, ist ebenfalls denkbar. Das Verfahren zur Herstellung dieser Materialklasse ist insbesondere, aber nicht ausschließlich dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber dem Stand der Technik konsekutive oder komplexe Porenstrukturen in situ erzeugt werden können, dass die Porengröße variiert werden kann, sowie dass Poren aller Größen und insbesondere die mit wenigen anderen Verfahren erhältlichen Makroporen zugänglich sind, und dass schließlich auch Mikro- und Makroporen im ausgehärteten Formkörper nebeneinander vorliegen können. Weiterhin ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass es bei Temperaturen durchgeführt werden kann, die gegenüber dem Stand der Technik wesentlich erniedrigt sind, sowie dass es in umwelttechnisch nachhaltiger Art und Weise realisiert werden kann.

Unter gerüstbildenden Materialien werden im Sinne der vorliegenden Anmeldung alle Substanzen verstanden, die im Zusammenwirken mit templatbildenden Substanzen und optional mit weiteren Substanzen nach einer Trocknungs-, Gär- und/oder Kalzinierungs-Phase zu einem porösen Formkörper aushärten.

Als gerüstbildendes Material kann im Prinzip jedes Material mit den oben definierten Eigenschaften eingesetzt werden, welches mit dem mindestens einen Mikroorganismus verträglich ist. Das gerüstbildende Material wird ausgewählt aus anorganischen, organischen oder metallorganischen Stoffen, oder einem Gemisch aus zwei oder mehr hiervon. Bevorzugt wird eine keramische Aufschlämmung (keramische Gießmasse, Schlicker) eingesetzt, die beispielsweise Silikate, Alumosilikate, Alumophosphate, Mischoxide der Haupt- und Nebengruppenelemente und dabei insbesondere der Nebengruppenelemente, Alkali- oder Erdalkalioxide sowie andere glasbildende Oxide oder Mischungen hiervon enthalten kann, wobei besonders bevorzugt Mischungen von Al₂O₃ und SiO₂ eingesetzt werden. Die Aufschlämmung wird bevorzugt hergestellt durch Vermischen der keramischen Feststoffe, die bevorzugt als Pulver vorliegen, mit Wasser und möglicher- aber nicht notwendigerweise mit Tensiden oder anderen oberflächenaktiven Agenzien, wodurch eine kolloidale Dispersion erhalten werden kann.

Weiterhin kann das Einbringen faser- oder plättchenartiger Bestandteile von Vorteil sein und es ist denkbar, dass die gerüstbildenden Materialien als Vorläufer- Materialien (precursor) eingetragen werden, die erst unter Verarbeitungsbedingungen freigesetzt oder umgeformt werden. Als Beispiel kann die Zugabe von TEOS (Tetraethylorthosilikat) genannt werden und dessen Hydrolyse zu Kieselsäure unter Abbindebedingungen oder unter anderen Bedingungen, die zur Kondensation führen. In einer bevorzugten Ausführungsform können zudem mikroporöse Feststoffe wie Zeolithe oder andere poröse Substanzen als Bestandteil oder Hauptkomponente der gerüstbildenden Substanz zugegeben werden. Diese Ausführungsform erlaubt es, auf besonders einfache Weise ein Verbundmaterial mit nebeneinander vorliegenden Mikroporen (vom Zeolith oder einer anderen zugegebenen mikroporösen Substanz) und Makroporen (als Ergebnis der Porenbildung induziert durch den Gär- und Trocknungs-Prozess der Mikroorganismen im Kontakt mit Nährmitteln) herzustellen.

Prinzipiell ist es auch denkbar, gerüstbildende Substanzen zu verwenden, die nicht anorganischer Natur sind wie beispielsweise Lipide, Amphiphile, Kolloide oder Polymere sowie Mischungen dieser und anderer Substanzen, oder Mischungen dieser oder einer oder mehrerer der oben genannten Substanzen.

Unter Mikroorganismen im Sinne der vorliegenden Erfindung werden alle biologischen Einheiten verstanden, einschließlich aber nicht begrenzt auf ein- oder mehrzellige sowie prokaryontische oder eukaryontische Formen, die zur Umsetzung eines Nährstoffes unter Freisetzung von gasförmigen oder anderweitig expandierenden, d. h. porenformenden, Stoffwechselprodukten in der Lage sind. Bezüglich der biologischen Funktionalität werden keine weiteren Einschränkungen gemacht. Bevorzugt werden Bakterien oder Pilze eingesetzt. Aus der Biotechnologie bekannte und somit auch für die vorliegende Erfindung relevante Bakterien sind vorzugsweise aber nicht ausschließlich aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Pseudomonas, Acetobacter, Methylomonas, Escherichia, Aerobacter, Lactobacillus oder Mycobacterium.

Aus der Biotechnologie bekannte und somit für vorliegende Erfindung relevante Pilze sind bevorzugt aber nicht ausschließlich aus der folgenden Gruppe klassischer Subjekte der Fermentationsindustrie ausgewählt: Vertreter der Gattungen Penicillium, Aspergillus oder Cephalosporium. Besonders bevorzugt im Sinne der Erfindung sind Hefe-Pilze (aus der Klasse der Endomycetalen) und hierbei weiter bevorzugt Kultur-Hefen wie die Bäcker- oder Brauerei-Hefe (Saccharomyces cerevisiae). Die Leistungsfähigkeit bzw. die spezifische Eignung der Hefe für das Erzielen einer gewünschten Menge an freigesetzten Stoffwechselprodukten kann durch Selektion oder andere genetische Techniken zielgerichtet verbessert werden. Algen werden generell als farbtragende Pilze angesehen und sind gleichfalls als einzusetzende Mikroorganismen denkbar. Schließlich ist auch der Einsatz von Polypeptiden oder Enzymen denkbar, wobei diese an einer beliebigen Umsetzung unter Freisetzung von potenziell porenbildenden Templaten beteiligt sein sollen.

Unter Nährmitteln im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle Substanzen zu verstehen, die von den Mikroorganismen verstoffwechselt werden können und in mindestens einem beliebigen Schritt des Verfahrens zu gasförmigen oder anderweit expandierenden und somit porenformenden Stoffwechselprodukten führen. Die Nährmittel können in fester, flüssiger oder gasförmiger Form zugegeben werden, wobei flüssige Nährlösungen besonders bevorzugt sind da diese die Mischbarkeit, die Nährmittel-Aufnahme sowie die Fließfähigkeit der Masse insgesamt positiv beeinflussen. Das Einstellen einer isotonischen Nährlösung oder einer den Mikroorganismen in anderer Weise angepasster Lösung ist hierbei besonders bevorzugt.

Die spezifische Auswahl der Nährmittel hängt offensichtlich von den eingesetzten Mikroorganismen ab und alle aus der Biotechnologie bereits bekannten Kombinationen werden bevorzugt eingesetzt. Die Kultur von Mikroorganismen im technischen Maßstab kann nach allen dem Fachmann bekannten Verfahren unter Berücksichtigung von Milieufaktoren wie Temperatur, Sauerstoffbedarf, Licht etc. artspezifisch durchgeführt werden. Bakterien benötigen typischerweise eine Kohlenstoff und eine Stickstoffquelle und daneben noch Mineralien, Spurenelemente und vielfach noch Vitamine und andere Wachstumsfaktoren. Allen diesen Ansprüchen genügt das traditionelle Nährmedium der Bakterologie, die Nährbouillon, die auch als standardisiertes Fertigmedium in getrockneter Form kommerziell erhältlich ist. Von besonderem Interesse sind auch Bakterien, die Kohlenwasserstoffe und/oder andere organische Moleküle verstoffwechseln, wie z. B. Bakterien vom Pseudomonas- oder vom Mycobacteriaceae-Typus.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist durch die Kombination von Hefe-Kulturen mit Kohlehydraten gegeben, wobei das mindestens eine Kohlehydrat aus der Gruppe der Monosaccharide, Disaccharide, Oligo- oder Polysaccharide ausgewählt werden kann. Besonders bevorzugt wird eine Mischung von Glucose, Maltose und Stärke eingesetzt, wobei die Mengenverhältnisse durch die gewünschten Wachstumsbedingungen und damit letztlich die gewünschten Parameter für die Porengröße sowie die Porengrößenverteilung gegeben sind.

Für Pilze im allgemeinen und Hefen im besonderen können auch natürliche Nährmittel, die auch Abfallprodukte enthalten können, eingesetzt werden. Solche natürlichen Nährmittel für Pilze/Hefen können u. a. aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden ohne auf diese Gruppe beschränkt zu sein: Maismehlextrakt, Malzextrakt, Hefeextrakt, Pepton, handelsübliche Saccharose, ungereinigte Glucose, Weizenhydrolysate, Trester, Rückstände aus der Obstverarbeitung, Melasse, Sirupe oder Exkremente von Pflanzenfressern (z. B. Pferde-Dung). Diese natürlichen Medien sind ohne großen Zeitaufwand herzustellen, liegen teilweise sogar als Abfallprodukte anderer Industriezweige vor und enthalten bereits alle notwendigen Mineralien und Spurenelemente in den geeigneten Mengenverhältnissen. Somit ist die Zugabe von natürlichen Nährmitteln zu den erfindungsgemäß verwendeten Mikroorganismen eine besonders bevorzugte Ausführungsform.

Um von den Nährmitteln zur bevorzugten Ausführungsform einer Nährlösung zu gelangen, ist die Zugabe eines flüssigen Mediums notwendig. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird Wasser verwendet, wobei eine isotonische wässrige Lösung, die den gewünschten Wachstumsbedingungen der Mikroorganismen angepasst ist, weiter bevorzugt ist. Alkoholische Lösungen oder Lösungen, die andere organische Lösungsmittel oder wässrig-organische Emulsionen enthalten sind ebenfalls denkbar.

Neben dem gerüstbildenden Material, den Mikroorganismen sowie der Nährlösung bzw. dem Nährmittel können der Dispersion auch weitere Zusatzstoffe beigemischt werden, insbesondere Tenside, Stabilisatoren und zusätzliche Templatbildner, die aus dem Stand der Technik bereits bekannt sein können. Diese Zusatzstoffe können, einzeln oder als Gemisch aus zwei oder mehr davon, der folgenden Gruppe entnommen sein: Tenside, d. h. oberflächenaktive Substanzen ganz allgemein und anionische, kationische sowie nichtionische Amphiphile, im besonderen Polyethylenoxid, Polyethylenglykol, Kolloide, Lipide, inerte Öle, Polymere, Latex-Teilchen, Flüssig-Kristalle oder anorganische Salze. Zusatzstoffe, die insbesondere das Wachstum der Mikroorganismen und/oder deren Stabilität positiv beeinflüssen sind gleichfalls in dieser Gruppe enthalten, insbesondere Aminosäuren, (Poly)peptide, Enzyme, Coenzyme, Vitamine oder Spurenelemente.

Der Begriff "Templatbildner" im Sinne der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Funktion der oben angegebenen Mikroorganismen, die darin besteht, im Zusammenwirken mit den oben beschriebenen Nährmitteln, sowie mit gegebenenfalls weiteren Substanzen, in einem Gär-, Wachstums- und Trocknungsprozess oder einem Gär-, Wachstums- oder Trocknungsprozess Stoffwechselprodukte, besonders bevorzugt gasförmige Stoffwechselprodukte, freizusetzen, die zur Porenführung führen oder beitragen. Demzufolge stellen die bevorzugt gasförmigen Stoffwechselprodukte erfindungsgemäß das eigentliche Templat dar.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des porösen Materials werden die Komponenten in beliebiger Reihenfolge zusammengegeben. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die gerüstbildende Substanz als anorganische Dispersion vor und die Nährmittel werden als Nährlösung zugegeben, die bereits die Mikroorganismen enthält. Dadurch wird sichergestellt, dass das Material vor dem Trocknen/Kalzinieren als eine fließfähige Masse vorliegt, die, falls gewünscht, in formgebende Körper eingetragen werden kann.

Sobald die Masse die gewünschte Konsistenz und Form hat, kann mit dem Trocknen der Masse begonnen werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik, der im Normalfall ein Trocknen, welches in diesem Fall eher als Brennen oder Kalzinieren bezeichnet wird, bei hohen Temperaturen erfordert, genügt bei der vorliegenden Erfindung ein einfaches, kosteneffektives Trocknen der Dispersion in dem Temperaturbereich oder knapp oberhalb des Temperaturbereiches, in welchem die Stoffwechsel (Gär)-Prozesse der eingesetzten Mikroorganismen ablaufen. In der bevorzugten Ausführungsform, die bei der Verwendung von Hefe vorliegt, kann das Trocknen beispielsweise im Bereich von 40°C bis 100°C stattfinden. Die Tatsache, dass das Trocknen bei den angegebenen niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann, schließt nicht aus, dass ein zusätzlicher Brenn- oder Kalzinier- Schritt zusätzlich und in Folge durchgeführt wird (siehe Beispiel 2 in der vorliegenden Schrift).

Für die besonders bevorzugte Ausführungsform unter Verwendung von Hefe reicht der bevorzugte Temperaturbereich von 5°C bis 80°C, d. h. der Bereich in welchem das Wachstum der Hefe, die Produktion an Gasen sowie das Entfernen von Wasser (und damit das Beenden des Gär- und Verfestigungsprozesses) genau kontrolliert werden kann. So ist z. B. bei niedrigen Temperaturen, d. h. von etwa 5°C bis etwa 10°C, die Hefe zwar aktiviert, d. h. Gase werden produziert, aber das Trocknen des Formkörpers ist verlangsamt. In einem mittleren Temperaturbereich, der je nach Hefeart zwischen 10°C und 30°C liegt, ist die Hefe vollständig aktiviert und das Wachstum und damit die Gasentwicklung, die für die Bildung der Poren (Templateffekt) verantwortlich ist, am größten. In diesem Temperaturbereich kann die Kontrolle der Porosität und der anderen relevanten Eigenschaften der zu trocknenden Masse erschwert sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird in einem Temperaturbereich von 30°C bis 80°C gearbeitet, in welchem die Hefe optimal aktiviert ist, d. h. nicht unkontrolliert wächst, beziehungsweise in einer besonders bevorzugten Ausführungsweise, entsprechend der gewählten Porengröße wächst, und zugleich genügend Wasser aus dem System entfernt wird, so dass die Masse zu einem porösen Formkörper aushärten kann.

Es ist denkbar, das Verfahren zeitweise auch bei Temperaturen unterhalb von 5°C zu betreiben, wenngleich die Hefe in diesem Fall im wesentlichen inaktiv ist. Es ist ebenfalls denkbar, die Verfahrenstemperatur höher oder deutlich höher als 80°C einzustellen, beispielsweise aber nicht beschränkt auf 150°C. Dies kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn ein schnelles Aushärten gewünscht wird. Bedingt durch die Wärmekapazität des auszuhärtenden oben beschriebenen Gemisches, sowie durch Temperaturgradienten, kann die Hefe auch unter diesen Bedingungen, beispielsweise im Inneren des Gemisches, noch aktiv sein, d. h. porenbildende Gase freisetzen. Zum gleichen Zeitpunkt kann das Äußere des Gemisches, welches in Kontakt mit der Ofenwand steht, bereits aushärten und die Hefe in diesem Bereich inaktiv sein, d. h. nicht mehr zur Porenbildung beitragen. Eine solche Verfahrensführung ist demzufolge eine bevorzugte Ausführungsform, die es erlaubt, die Porengrößenverteilung räumlich innerhalb des monolithischen Formkörpers zu variieren.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird die Mischung in einen Röhrenofen mit definiertem Temperaturgradienten gegeben und somit das Wachstum der Mikroorganismen, und dabei insbesondere der Hefe, durch Einstellen eines gewünschten Temperaturprofils räumlich und zeitlich oder räumlich oder zeitlich kontrolliert. Unter Zuhilfenahme dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform können durch räumlich und/oder zeitliche Kontrolle der Porenbildung räumlich separiert verschiedene, nebeneinander vorliegende Porenstrukturen und Porengrößen in einem zusammenhängenden Formkörper hergestellt werden.

Neben der Zusammensetzung der Masse und der Temperatur erweist sich auch der Sauerstoffgehalt als ein besonders wichtiger Verfahrens-Parameter. Das Wachstum von Mikroorganismen im allgemeinen und Hefen im besonderen kann über den Sauerstoffgehalt gezielt eingestellt werden. So werden beispielsweise Kohlehydrate in Hefe-Kulturen unter anaeroben Bedingungen zu Ethanol vergoren und das Hefe-Wachstum ist praktisch eingestellt. Unter aeroben Bedingungen dagegen und bei hohem Glucose-Gehalt wächst die Hefe stetig und kein Alkohol wird produziert. Somit kann durch die Wahl des Sauerstoffgehalts das Hefe-Wachstum in der Masse genau eingestellt werden und somit auch die Menge und Verteilung an CO₂, welches dann beim Trocknen/Gären zur Porenbildung führt. Generell ist jeder Sauerstoff-Gehalt oder jede Gas-Zusammensetzung denkbar, bei dem oder der die Hefe ihre erfindungsgemäße Funktion erfüllen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Sauerstoff-Gehalt im Bereich von jeweils einschließlich 10 bis 20 Volumen-% Sauerstoff eingestellt.

Ein weiterer wesentlicher Parameter zur Kontrolle des Wachstums der Mikroorganismen, insbesondere von Hefe ist der Druck, der von außen eingestellt werden kann. So kann z. B. der Wachstums- bzw. Gärprozess bei konstantem Volumen durchgeführt werden, oder in einem gasdichten Behältnis, welches über einen Druckvermittler einem von außen einstellbaren Druck eingesetzt wird. Generell gilt, dass sich das Wachstum von beispielsweise Hefe unter erhöhtem Aussendruck verlangsamt.

Weiterhin kann das Wachstum von Mikroorganismen auch durch Zugabe von Wachstumshemmern und/oder Stoffwechselgiften verlangsamt, unter- oder abgebrochen werden. Solche Wachstumshemmer können ausgewählt sein aus der Gruppe Ammoniak, Ammonium-Ionen, Sulfide oder Alkohole.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des porösen Materials ist in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass eine gezielte und kontrollierte Variation der Porengröße und anderer wichtiger charakteristischer Merkmale des porösen Materials, wie Wandstärke oder Porengrößenverteilung, als Funktion einer oder mehrerer räumlich oder zeitlich oder räumlich und zeitlich einstellbarer Parameter möglich ist. Die Kontrolle dieser Parameter erfolgt entweder während des Gär- und des Trocknungs-Prozesses oder während des Gär- oder des Trocknungsprozesses.

Dabei kann der mindestens eine Parameter aus der folgenden Gruppe von Faktoren, die das Wachstum der Mikroorganismen und/oder das Aushärten der Masse zu einem porösen Formkörper beeinflussen, ausgewählt werden, ohne allerdings auf diese Gruppe beschränkt zu sein: Temperatur, Temperaturgradient, Druck, Druckgradient, Sauerstoffgehalt, Art und Menge der Mikroorganismen, Art, Menge und Zustandsform der eingesetzten Nährmittel, Art, Menge und Zustandsform eventuell eingesetzter Stoffwechselgifte und/oder Wachstumshemmer, Dauer des Trocknungs-Intervalles bei gegebener Temperatur und/oder gegebenem Sauerstoffgehalt sowie Art und Menge der optional zugegebenen Zusatzstoffe.

Prinzipiell kann das Verfahren wahlweise um beliebige weitere mechanische, chemische, physikalische oder physikalisch-chemische Behandlungen erweitert werden. Diese optionalen Behandlungsschritte können sowohl Teil der Vorbereitung der eingesetzten Materialien oder Verfahrensschritte sein, oder auch während oder nach mindestens einem der essentiellen Behandlungsschritte (Zusammengeben der Komponenten und Hilfsstoffe, Gärungs- bzw. Wachstums-Prozess, Trocknungs-Prozess, Detemplatisieren/Kalzinieren) geschehen.

Der Begriff "konsekutive Porenstruktur", wie er erfindungsgemäß verwendet wird, bezeichnet eine Porenstruktur, bei welcher der Porendurchmesser vom Inneren zum Äußeren des Formkörpers kontinuierlich oder in Schritten, aber stets in einer Richtung, größer oder kleiner wird. Der Begriff "komplexe Porenstruktur", wie er erfindungsgemäß verwendet wird, bezeichnet eine Porenstruktur, bei welcher der Porendurchmesser innerhalb des Materials in nicht einfacher Weise variiert, d. h. beispielsweise verschiedene, aber wohldefinierte Porendurchmesser parallel nebeneinander vorliegen, oder aber sich der Porendurchmesser periodisch vom Inneren zum Äußeren ändert. Eine komplexe Porenstruktur ist explizit abgegrenzt von einer chaotischen Porenstruktur, in welcher zwar auch verschiedene Porendurchmesser vorliegen können, diese aber nicht durch gezielte Verfahrenssteuerung erhalten worden sind und somit auch nicht reproduziert werden können. Ein weiteres Merkmal konsekutiver oder komplexer Porenstrukturen ist, dass zwar mindestens zwei verschiedene Porendurchmesser vorliegen können, dass aber die Verteilung der Porengrößen eng ist, d. h. die Abweichung von einem gegebenen Porendurchmesser nicht mehr als 50% beträgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren so gesteuert, dass sukzessive verschiedene Temperaturen oder Sauerstoffgehalte oder Nährmittelgehalte oder alle denkbaren zeitlichen und/oder örtlichen Kombinationen dieser und anderer Parameter, die das Wachstum der Mikroorganismen und/oder das Aushärten der Masse zu einem porösen Formkörper beeinflussen, gewählt werden. Diese sukzessive angesteuerten Verfahrensparameter bedingen eine konsekutive Anordnung unterschiedlicher Porengrößen, Wandstärken oder anderer Größen, mit Hilfe derer der poröse Formkörper charakterisiert werden kann. Das erfindungsgemäße Einstellen hierarchisch angeordneter Porenstrukturen beeinflusst insbesondere die Transporteigenschaften der im porösen Formkörper einzusetzenden Medien in positiver Weise (so z. B. bei Vorgängen der Absorption, Katalyse, Trennung oder vergleichbaren Verfahren, denen ein Poren- oder Kanalsystem zugrunde liegt). Zudem erlangt der poröse Formkörper gegenüber dem Stand der Technik ein Maximum an Stabilität, insbesondere im Fall von makroporösen Systemen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren so gesteuert, dass Mikro-, Meso- oder Makroporen im gesamten Formkörper nebeneinander vorliegen. Eine solche komplexe Porenstruktur kann beispielsweise und besonders einfach dadurch erreicht werden, dass die erfindungsgemäß eingesetzte gerüstbildende Substanz bereits intrinsisch mikroporöse Substanzen beinhaltet, wie beispielsweise M41S-Materialien oder Zeolithe.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird von wenigstens einer Datenverarbeitungsanlage gesteuert/geregelt, wobei die gewünschten Verfahrens-Parameter in die Datenverarbeitungsanlage eingegeben werden können, sowie die Datenverarbeitungsanlage das Verfahren nach diesen Vorgaben steuert und überwacht sowie wesentliche Kontrollparameter einlesen und speichern kann.

Von besonderem Interesse bei der Herstellung poröser Formkörper mit Hilfe eines Templates ist auch das Entfernen von möglicherweise störenden Resten des Templatbildners und/oder dessen Abfallprodukte nach der vollständigen Aushärtung der gerüstbildenden Substanzen des Formkörpers. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ist die Tatsache, dass die Materialien zur Herstellung des Formkörpers, insbesondere die templatbildenden Mikroorganismen und deren Nährmittel, vollständig biologisch abbaubar sind, sowie dass sie essbar und human- und umwelt-toxikologisch vollkommen unbedenklich sind. Ist ein vollständiges Entfernen aller nicht zum Gerüst des porösen Formkörpers gehörigen Substanzen, erwünscht d. h. insbesondere das Entfernen von Mikroorganismen, Nährmitteln und Stoffwechselprodukten, so kann dies durch einfaches Auslösen in einem geeigneten Lösungsmittelbad erfolgen, insbesondere wiederum in einer umweltverträglichen wässrigen Lösung, oder durch schonendes Verbrennen, welches im Fall des vorliegenden Verfahrens ohne die z. B. beim Kalzinieren von PU-Schäumen entstehenden toxischen Verbennungsprodukte ablaufen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines porösen Materials ist insbesondere auch dadurch gekennzeichnet, dass es gegenüber den Verfahren, die sich aus dem Stand der Technik ergeben, besonders einfach und billig ist. Dies ist neben anderen Faktoren auch durch die Verwendung billiger und unempfindlicher, teilweise sogar Abfallprodukte anderer Industrieverfahren enthaltender, zumindest aber aus nachwachsenden Rohstoffen bestehender Ausgangsprodukte bedingt. So kann beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung einer anorganischen Gießmasse betrieben werden, die in der Bauindustrie an- bzw. abfallen kann, sowie mit Hefe- Pilzen, die aus der Bäckerei- oder Brauindustrie entnommen werden können sowie weiterhin mit Nährlösungen wie Mais- oder Malzextrakten, die wiederum im Brauereiwesen oder aber im agrarischen Sektor, z. B. der Zuckerindustrie, an- bzw. abfallen können. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere unter diesem Aspekt den gängigen Verfahren zur Herstellung poröser Materialien, die beispielsweise teure, empfindliche, regelungsbedürftige, schlecht abbaubare und toxikologisch bedenkliche Templatbildner wie PU-Schäume einsetzen, deutlich überlegen.

Ein wesentlicher Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Trocknung und Härtung, die bei gegenüber dem Stand der Technik drastisch erniedrigten Temperaturen stattfindet. Dies ermöglicht eine weitere Vereinfachung des Verfahrens, da nicht dieselben aufwendigen Schutz-, Isolier-, Kontroll- oder Regelungs- Maßnahmen notwendig sind, wie sie bei hohen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen über 500°C, erforderlich sind.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte poröse Material kann für alle Zwecke eingesetzt werden, für die der Fachmann generell poröse Materialien einsetzen würde. Dies betrifft insbesondere die nachfolgend beschriebenen Gebiete, ohne deshalb auf diese Anwendungen beschränkt zu sein.

Poröse Materialien, insbesondere poröse anorganische Materialien sind von besonderer Bedeutung als Trägermaterialien für Katalysatoren oder sind, wie beispielsweise im Fall der Zeolithe, selber katalytisch aktiv. Die erfindungsgemäßen porösen Materialien zeichnen sich für diese Anwendungen insbesondere dadurch aus, dass konsekutive oder anderweitig komplex aufgebaute Porenstrukturen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können. Solche komplexen oder konsekutiven Porenstrukturen können vorteilhaft zur Erhöhung der Selektivität und/oder zur Verbesserung des An- und Abtransports von Reaktionsedukten, -produkten sowie anderweitig relevanter Substanzen dienen.

Poröse Formkörper werden weiterhin häufig als absorbierende oder ionentauschende Medien eingesetzt, insbesondere in den Feldern der Chromatographie, der Entkalkung/Wasserenthärtung oder für verschiedene Ausführungsformen von Ionentauschern. Auch hier macht sich wiederum eines der charakteristischen Merkmale des erfindungsgemäßen Materials, namentlich die konsekutive oder komplex Porenstruktur, vorteilhaft bemerkbar, da es denkbar ist, dass in diesem Fall die Co-Absorption von Molekülen oder Atomen oder Ionen von verschiedener Größe möglich wird. Dies umfasst auch die Möglichkeit, einen wesentlich umfassenderen Chelatbildner zu synthetisieren, der schädliche oder anderweitig unerwünschte Metall-Ionen verschiedener Größe zu komplexieren vermag.

Weiterhin finden poröse (anorganische) Formkörper Anwendung in der Baustoffindustrie, insbesondere als eigentliches Baumaterial, aber auch als Isolier- oder Dämmstoff sowie als Füllstoffe in der Kunststoff oder Autoindustrie. Die konsekutive Porenstruktur des erfindungsgemäßen Materials hat nicht nur den Vorteil aufgrund der erhöhten Wandstärke stabiler zu sein, d. h. weniger Material bei gleichbleibender Stabilität zu bedingen, sondern ist auch durch verbesserte Dämmeigenschaften charakterisiert, basierend auf der Tatsache, dass das Hintereinanderschalten von verschiedenen Leitwerten (hier Wärmestrom oder longitudinaler Druckwellen-Transport durch verschieden große Poren) stets zu einem drastisch erhöhten Widerstand führt, d. h. zu besserer Wärme und/oder Schall- Isolation.

Die Vorteile des komplex oder konsekutiv strukturierten porösen Materials sind offensichtlich auch auf Anwendungen für keramische Hochtechnologie- Materialien übertragbar, so beispielweise in den Bereichen Hochleistungs- Dielektrika, magnetische Materialien, magneto-optische Materialien, nichtlinear optische Materialien oder Hochtemperatur-Supraleiter.

In der Nahrungsmittel-Industrie sind poröse Trägermaterialien von besonderem Interesse, insbesondere wenn die Porengröße gezielt zur Aufnahme der gewünschten Nährstoffe eingestellt werden kann und wenn insbesondere Makroporen verfügbar sind. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für solche Trägermaterialien in der Nahrungsmittel-Industrie ist insbesondere durch die Verwendung absolut verträglicher Inhaltsstoffe gekennzeichnet, sowie weiterhin durch die Tatsache, dass das poröse Trägermaterial bei Temperaturen hergestellt werden kann, die nicht zur Zerstörung eventuell beigegebener Zusatzstoffe, wie Vitaminen oder anderer empfindlicher Substanzen, führen. Das bezüglich der Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten porösen Materials in der Nahrungsmittel-Industrie gesagte gilt sinngemäß auch für die Futtermittel-Industrie sowie die Nahrungs- und Futterergänzungsmittel-Industrie.

Spezifisch für die Nahrungsmittel-Industrie kann noch ergänzt werden, dass sich die erfindungsgemäß hergestellten porösen Materialien insbesondere auch für kalorienarme oder kalorienfreie Produkte anbieten, bedingt durch den (i) minimalen kalorischen Nährwert durch Verwendung anorganischer, d. h. nicht vom Menschen verwertbarer, Gerüstsubstanzen sowie (ii) durch die vollständige Verträglichkeit der Komponenten und (iii) durch ein angenehmes Esserlebnis bedingt durch die knusprige, brotartige Konsistenz.

Ein weiterhin besonders vielversprechendes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäß hergestellten porösen Materialien liegt in Streu- und Absorptionsmaterialien für chemische Anwendungen, aber auch z. B. im Bereich der tierischen Abfall-Aufnahme. In chemischen Anwendungen geht es um die sichere Aufnahme potenziell gefährlicher Dämpfe und/oder Flüssigkeiten, wie sie beispielsweise bei Unfällen oder dem unbeabsichtigten Verschütten auftreten können. Hier macht sich die besondere, komplexe oder konsekutive, Porenstruktur der erfindungsgemäßen Materialien vorteilhaft bemerkbar, da beim Vorliegen unterschiedlicher Porengrößen natürlich auch unterschiedliche Materialien absorbiert werden können. Analoge Vorteile lassen sich auch für Streumaterialien für tierische Abfälle, vie beispielsweise Katzenstreu, formulieren.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für die erfindungsgemäß hergestellten porösen Materialien liegt in der Kosmetikindustrie, in welcher poröse, schwammartige Substanzen vielfach als Trägermaterialien für peeling, make-up oder anderweitige Produkte eingesetzt werden können, insbesondere aber für Produkte mit absorbierender oder Wirkstoff-liefernder Funktion.

Besonders aktuelle und sicherlich noch nicht vollständig ausgeschöpfte Anwendungsgebiete poröser anorganischer Materialien finden sich beispielsweise in der pharmazeutischen Industrie sowie in der Medizin-Technik. Ein wesentliches Problem der Wirkstoff-Applikation in einem komplexen, medizinisch relevanten Körper, z. B. dem menschlichen, ist die gezielte und/oder zeitverzögerte Freisetzung eines Wirkstoffes im bestimmungsgemäßen Organ. Je gezielter die Freisetzung, desto geringer ist normalerweise die notwendige Dosis und somit die Gefahr unerwünschter Nebenwirkungen. Es ist denkbar, dass Porengröße und Porenstruktur des den Wirkstoff enthaltenden porösen Trägermaterials, z. B. durch Verwendung eines konsekutiven Porensystems, so eingestellt werden können, dass das erfindungsgemäße poröse Material besonders geeignet ist zur Aufnahme und gezielten und/oder zeitverzögerten Abgabe eines vorgegebenen Wirkstoffes.

In der Medizin-Technik sind poröse Formkörper insbesondere für die Herstellung künstlicher Knochen-Implantate von Bedeutung. Offensichtlich bieten die erfindungsgemäßen Materialien mit ihrer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Stabilität aufgrund der durch die konsekutive Porenstruktur gegebenen hohen Wandstärke einen klaren Marktvorteil. Inwieweit die Herstellung der porösen Substanz durch eindeutig nicht-toxische Verfahren unter Verwendung von mikrobiologisch aktiven Substanzen von Vorteil ist, müsste sich in klinischen Versuchen erweisen.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

25 ml einer Maltoselösung (50 g/l) werden mit 7,5 g Hefe (Bäckerhefe), 1,95 g Aerosil (A200, Degussa) und 1,5 ml Ludox AS 40 versetzt und bei 20°C 1 h gerührt. Die erhaltene Dispersion wird in ein Kunststoffschälchen vergossen und bei 80°C getrocknet. Es wird ein fester poröser monolithischer Körper erhalten, der die Innenform des Schälchens hat. Die Untersuchung unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigt die Makroporen des Materials (Fig. 1: Länge der Referenzlinie: 20 µm; Fig. 2: Länge der Referenzlinie: 2 mm, Fig. 3: Linie der Referenzlinie: 5 µm).

Beispiel 2

25 ml einer Maltoselösung (50 g/l) werden mit 7,5 g Hefe (Bäckerhefe), 1,925 g Aerosil (A200, Degussa) und 1 ml Ludox AS 40 versetzt und bei 20°C 1 h gerührt. Die erhaltene Dispersion wird in ein Kunststoffschälchen vergossen und bei 80°C getrocknet. Es wird ein fester poröser monolithischer Körper erhalten, der die Innenform des Schälchens hat. Der Körper wird 8 h bei 500°C kalziniert. Der Körper behält seine Festigkeit und Form. Die Untersuchung unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigt die Makroporen des Materials (Fig. 4: Länge der Referenzlinie: 2 mm; Fig. 5. Länge der Referenzlinie: 200 µm).

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines porösen Materials, umfassend das Inkontaktbringen von mindestens einem Mikroorganismus mit mindestens einem Nährmittel sowie mindestens einer gerüstbildenden Substanz derart, dass die Mikroorganismen in Verbindung mit dem Nährmittel in einem kombinierten Wachstums-, Gär- und Trocknungsprozess als Templatbildner für die gerüstbildende Substanz wirken, wobei die gerüstbildende Substanz ausgewählt wird aus anorganischen, organischen oder metallorganischen Stoffen, oder einem Gemisch aus zwei oder mehr hiervon.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mikroorganismus ausgewählt wird aus der Gruppe der Algen, Pilze, Bakterien oder Enzyme.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mikroorganismus aus der Gruppe der Kultur-Hefen ausgewählt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nährmittel aus der Gruppe der Kohlehydrate oder der in Biotechnologie und Agrarwirtschaft eingesetzten, natürlichen Nährmischungen oder aus der Gruppe der Abfallprodukte ausgewählt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nährmittel Kohlehydrate enthält sowie Hefe der Mikroorganismus ist.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nährmittel mit den Mikroorganismen in einer isotonischen Lösung oder einer den Mikroorganismen in anderer Weise angepassten Nährlösung vorliegt.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gerüstbildende Substanz als Teil einer anorganischen Gießmasse eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bestandteil der gerüstbildenden Substanz aus der Gruppe der Silikate, Alumosilikate, Alumophosphate, Mischoxide der Haupt- und Nebengruppenelemente, der glasbildenden Oxide oder aus Mischungen der vorstehenden Stoffe ausgewählt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wesentlichen Parameter des Gärungs-, Wachstums- und Trocknungs-Prozesses oder des Gärungs-, Wachstums- oder Trocknungsprozesses einzeln oder in Kombination so eingestellt werden, dass die templatbildende Effizienz der erfindungsgemäßen Mischung so kontrolliert wird, dass eine gewünschte Porengröße oder Porengrößenverteilung erreicht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wesentlichen Parameter des Gärungs-, Wachstums- und Trocknungs-Prozesses oder des Gärungs-, Wachstums- oder Trocknungsprozesses einzeln oder in Kombination, sukzessive, alternierend oder anderweitig komplex so eingestellt werden, dass die templatbildende Effizienz der erfindungsgemäßen Mischung so kontrolliert wird, dass eine konsekutive oder anderweitig komplexe Porenstruktur erreicht wird.

11. Poröses Material mit konsekutiver oder anderweitig komplexer Poren- Struktur, erhältlich mittels des Verfahrens gemäß Anspruch 10.

12. Verwendung des nach einem Verfahren gemäß eines der Ansprüche 1 bis 10 hergestellten Materials, oder des Materials gemäß Anspruch 11, in der Baustoff-Industrie, der Auto- und Kunststoff-Industrie, der Nahrungs- und Futtermittel-Industrie sowie der Nahrungsmittel- und Futtermittelergänzungs- Industrie, der pharmazeutischen und kosmetischen Industrie, zur Herstellung von Trägermaterialien und Membranen, für Chromatographie und Ionenaustauscher, als Sorbens-Materialien, als Katalysatoren, zur Wasserenthärtung und Komplex-Bildung, für keramische Hochtechnologie-Anwendungen, insbesondere als Dielektrika, magnetische oder supraleitende Materialien, sowie als besonders effiziente Dämm-, Füll- oder Isolationsmaterialien.

13. Verwendung des nach einem Verfahren gemäß eines der Ansprüche 1 bis 10 hergestellten Materials oder des Materials gemäß Anspruch 11 in der pharmazeutischen Industrie, insbesondere als Wirkstoff-Lieferant sowie in der Medizintechnik, insbesondere für Knochen-Implantate.

14. Verwendung des nach einem Verfahren gemäß eines der Ansprüche 1 bis 10 hergestellten Materials oder des Materials gemäß Anspruch 11 in der oder zu der Herstellung von Lebensmitteln, insbesondere von diätischen Lebensmitteln oder Ersatzstoffen.