DE10164022A1 - Polymer membrane with biomolecules for bioaffine interactions localized in the pores and process for their production - Google Patents
Polymer membrane with biomolecules for bioaffine interactions localized in the pores and process for their productionInfo
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Abstract
Es wird eine Polymermembran (10) vorgeschlagen, bei der in den Poren (11) Biomoleküle (12) für bioaffine Wechselwirkungen lokalisiert sind, wobei die Poren (11) im wesentlichen in Form von die Membran (10) durchquerenden offenen Kanälen ausgebildet sind, und wobei die Membran (10) zufuhrseitig (16) mit einer Lösung beaufschlagt wird, die eine Substanz oder ein Substanzgemisch enthält, und ausgangsseitig (17) aus einem Gemisch (19) von dem mittels der Biomoleküle (12) veränderten Produkt (21) und ggf. unveränderter Substanz (15) abgeführt wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Polymermembran (10). Dabei sind in den Poren (11) Mittel (20) zur Erzeugung einer turbulenten Strömung vorgesehen. Bei einer möglichen Art des Herstellungsverfahrens der Polymermenbran (10) wird die der Membran (10) zugeführten Lösung mit korpuskularen Elementen (20) beladen, und anschließend in die Poren (11) der Membran (10) geleitet. Anschließend werden die korpuskularen Elemente (20) in den Poren (11) eine vorbestimmte Zeit bei vorbestimmbarer Temperatur zur Reaktion belassen. Schließlich wird die Primärmembran (10) dann mit wenigstens einem Lösemittel gewaschen, so daß die in den Poren nicht haftenden korpuskularen Elemente (20) aus der Polymermembran (10) entfernt werden. Danach erfolgt die Bindung der Biomoleküle an die an der Porenwand haftenden korpuskularen Elemente.A polymer membrane (10) is proposed, in which biomolecules (12) for bioaffine interactions are located in the pores (11), the pores (11) being essentially in the form of open channels crossing the membrane (10), and wherein the membrane (10) on the supply side (16) is acted upon by a solution containing a substance or a mixture of substances, and on the outlet side (17) from a mixture (19) of the product (21) modified by means of the biomolecules (12) and possibly unchanged substance (15) is removed, and a method for producing such a polymer membrane (10). Means (20) for generating a turbulent flow are provided in the pores (11). In one possible type of production process for the polymer membrane (10), the solution supplied to the membrane (10) is loaded with corpuscular elements (20) and then passed into the pores (11) of the membrane (10). The corpuscular elements (20) are then left in the pores (11) for a predetermined time at a predeterminable temperature for reaction. Finally, the primary membrane (10) is then washed with at least one solvent, so that the non-adhesive corpuscular elements (20) are removed from the polymer membrane (10). The biomolecules then bind to the corpuscular elements adhering to the pore wall.
Description
Die Erfindung betrifft eine Polymermembran, bei der in den Poren Biomoleküle für bioaffine Wechselwirkungen lokalisiert sind, wobei die Poren im wesentlichen in Form von die Membranen durchquerenden, offenen Kanälen ausgebildet sind und wobei die Membran zufuhrseitig mit einer Lösung beaufschlagt wird, die eine Substanz oder ein Substanzgemisch enthält, und ausgangsseitig aus einem Gemisch von dem mittels der Biomoleküle veränderten Produkt und ggf. unveränderter Substanz besteht, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. The invention relates to a polymer membrane in which the pores biomolecules for bioaffine interactions are localized, the pores essentially in Form of open channels crossing the membranes are formed and with the membrane on the supply side a solution is applied that contains a substance or contains a mixture of substances and on the output side a mixture of which by means of the biomolecules modified product and possibly unchanged substance, and a process for their manufacture.
Eine Polymermembran dieser Art ist bekannt (DE-OS 196 48 881). Mittels dieser bekannten Membran ist eine steuerbare, kontrollierte Biokatalyse in der Membran grundsätzlich möglich, und es ist auch eine wenigstens ausreichende Substratzugänglichkeit zu den in den Poren lokalisierten Enzymen gewährleistet. A polymer membrane of this type is known (DE-OS 196 48 881). By means of this known membrane controllable, controlled biocatalysis in the membrane basically possible, and it is at least one sufficient substrate accessibility to those in the pores localized enzymes.
Bei weiteren Untersuchungen der bekannten Membran und auch grundsätzlichen Untersuchungen auf diesem Gebiet ist herausgefunden worden, daß die Bildung der im folgenden besonders interessierenden makromolekularen Produktmoleküle nicht nur von der mittleren Porengröße der Membran und ihrer Porengrößenverteilung, sondern ganz erheblich von den in der Pore vorliegenden Strömungsverhältnissen abhängen. Die Tortuosität des gesamten transmembranen Transportweges beeinflußt den Strömungswiderstand und damit die Prozeßleistung. Bei der Kombination von Stoffwandlung und Stofftrennung innerhalb des Porengefüges der gattungsgemäßen Membran, welche als Ensemble von Mikroreaktoren betrachtet werden kann, ist herausgefunden worden, daß eine erhebliche Einflußgröße zusätzlich noch die Art der Strömungsverhältnisse in den Membranporen ist. Für eine effektive Durchführung von enzymatischen Polymersynthesen Reaktionen in solchen Mikroreaktoren ist ein schnellstmöglicher Abtransport des entstandenen Produktes von sehr großer Wichtigkeit. In further investigations of the known membrane and also fundamental investigations in this area it has been found that the formation of the following particularly interesting macromolecular Product molecules not only of the average pore size the membrane and its pore size distribution, but very significantly from those present in the pore Depend on the flow conditions. The Tortuosity of the entire transmembrane transport path affects the Flow resistance and thus the process performance. In the Combination of material conversion and material separation within the pore structure of the generic membrane, which are viewed as an ensemble of microreactors may have been found to be significant Influencing variable also the type of Flow conditions in the membrane pores. For an effective Implementation of enzymatic polymer synthesis Reactions in such microreactors is one fastest possible removal of the resulting product from of great importance.
Es wurde herausgefunden, daß es anderenfalls, wie z. B. bei nur diffusem Stofftransport durch die Poren, schnell zu einer Katalysatorvergiftung durch Produktinhibition kommen kann. Damit einhergehend ist der gravierende Nachteil, daß dadurch auch die mit der mittels der in die Membran eingelagerten Biomolekülen in Form von Enzymen verbundene enzymatische Wachstumsreaktion blockiert wird. Versuche zur enzymatischen Herstellung, beispielsweise zur Herstellung eines Polysaccharids, haben ergeben, daß geometrisch definierte, idealerweise durchgängige ausreichend große Poren, wie sie in Kernspurmembranen ausbildbar sind, vorzusehen sind, um eine Verstopfung zu vermeiden. Dennoch hat sich herausgestellt, daß nach viel zu kurzer Reaktionszeit keine Enzymaktivität mehr meßbar und damit die angestrebte kontinuierliche Prozeßführung in Frage gestellt ist. It has been found that otherwise, e.g. B. with only diffuse mass transport through the pores, quickly to catalyst poisoning due to product inhibition can come. Associated with this is the serious one Disadvantage that this also means that with the means of in the membrane embedded biomolecules in the form of Enzyme-linked enzymatic growth reaction is blocked. Experiments on enzymatic production, for example for the production of a polysaccharide, have shown that geometrically defined, ideally continuous sufficiently large pores, as in Nuclear trace membranes can be formed, are to be provided for To avoid constipation. Still has pointed out that after much too short a response time Enzyme activity more measurable and thus the desired continuous litigation is questioned.
Aus Modellversuchen konnte gefolgert werden, daß sich in den zylinderförmigen Poren eine laminare Strömung ausbildet, so daß an der Porenwand, an der die Enzyme immobilisiert wurden, nur ein rein diffusiver Stofftransport möglich ist, der viel zu langsam ist und dadurch die Enzyme im Produkt "ersticken" läßt. From model tests it could be concluded that in a laminar flow in the cylindrical pores forms so that on the pore wall on which the enzymes were immobilized, just a purely diffusive one Mass transfer is possible, which is much too slow and thereby "suffocating" the enzymes in the product.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Membran der eingangs genannten Art derart zu verbessern und weiterzubilden, daß ein erforderlicher konvektiver Stofftransport wenigstens bis in die Nähe der immobilisierten Biomoleküle, beispielsweise in Form von Enzymen, die an den Porenwänden der Membran gebunden sind, ermöglicht wird, wobei die Membran dabei mit einfachen Mitteln, ausgehend von der gattungsgemäßen Membran, hergestellt werden kann und eine Verwendung der so hergestellten Membran für eine kontinuierliche Prozeßführung auch in technischem Maße möglich sein soll. It is therefore an object of the present invention To improve membrane of the type mentioned above and to further develop that a required convective Mass transfer at least close to the immobilized biomolecules, for example in the form of enzymes, which are bound to the pore walls of the membrane, is made possible, the membrane with simple Means, starting from the generic membrane, can be made and a use of the like manufactured membrane for a continuous Process control should also be possible on a technical scale.
Diese Aufgabe wird gemäß der erfindungsgemäßen Polymermembran dadurch gelöst, daß in den Poren Mittel zur Erzeugung einer turbulenten Strömung der Substanz und/oder des Gemisches von Substanzlösung und Produkt vorgesehen sind. This object is achieved according to the invention Polymer membrane dissolved in that in the pores means for Generation of a turbulent flow of the substance and / or the mixture of substance solution and product are provided.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, betreffend die Polymermembran, ist der, daß eine signifikante Stabilisierung der Aktivität der immobilisierten Biomoleküle möglich ist, d. h., daß die Wechselwirkungskräfte zwischen Permeand und Membranpolymer verstärkt werden bzw. der Kontakt von Substratmolekülen zu aktiven Liganden, d. h. hier den Biomolekülen, erleichtert bzw. überhaupt in nennenswertem Umfang ermöglicht wird. Würde sich, wie im Stand der Technik, beim Durchströmen des Substrats durch die Poren, wie bisher, eine im wesentlichen laminare Strömung ausbilden, so hätte das zur Folge, daß an der Porenwand quasi eine Ruhezone vorhanden sein würde, mit der nachteiligen Folge, daß nur ein diffuser Stofftransport stattfinden könnte. Die erfindungsgemäße Lösung beseitigt diese Ruhezonen in erheblicher Weise, wenn nicht sogar vollständig. The advantage of the solution according to the invention, regarding the Polymer membrane, that is a significant Stabilizing the activity of the immobilized biomolecules is possible d. that is, the interaction forces between permeand and membrane polymer are reinforced or the contact of substrate molecules with active ligands, d. H. here the biomolecules, relieved or at all to a significant extent. Would like in the prior art, when flowing through the substrate through the pores, as before, essentially one form laminar flow, this would have the consequence that there is a quiescent zone on the pore wall would, with the disadvantageous consequence that only a diffuse Mass transport could take place. The invention Solution significantly eliminates these quiet zones, if not completely.
Grundsätzlich ist es möglich, diese Mittel zur Erzeugung einer turbulenten Strömung des Substrats in den Poren auf beliebige, geeignete Weise auszubilden. So ist es beispielsweise denkbar und auch grundsätzlich möglich, die Porenwandung bei der Herstellung der Membran, selbst wenn diese die Membran auf dem kürzesten Weg durchqueren, strukturiert auszubilden, so daß beim Durchfließen des Substrats durch die Poren die Strukturen als Schikanen für die strömende Substratlösung wirken, mit der Folge, daß sich die angestrebte turbulente Strömung in den Poren ausbildet. Basically, it is possible to generate these funds a turbulent flow of the substrate in the pores train in any suitable way. That's the way it is for example conceivable and also possible in principle, the pore wall in the manufacture of the membrane itself if this the membrane in the shortest way traverse, train in a structured manner so that when flowing through of the substrate through the pores the structures as Baffles for the flowing substrate solution act with the Consequence that the desired turbulent flow in forms the pores.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Membran ist das Mittel allerdings in Form korpuskularer Elemente ausgebildet, die in der Membran zugeführten Substanzlösung selbst enthalten sind. Dadurch ist es beispielsweise vorteilhafterweise möglich, die mittlere Größe der korpuskularen Elemente unmittelbar an das Substrat, an die Membran selbst und an die Art der in den Poren der Membran gebundenen Biomoleküle anzupassen. Auch ist es bei dieser Ausgestaltung möglich, die Membran beispielsweise nacheinander mit unterschiedlich großen korpuskularen Elementen zu beschicken, beispielsweise alternierend und/oder mit zunehmender bzw. abnehmender Größe. In a particularly advantageous embodiment of the Membrane is the remedy in the form of corpuscular Formed elements that fed into the membrane Substance solution itself are included. That’s it for example, advantageously the middle one Size of the corpuscular elements directly to the Substrate, the membrane itself and the type of in adapt the biomolecules bound to the pores of the membrane. It is also possible with this configuration that Membrane, for example, one after the other with different to load large corpuscular elements, for example alternately and / or with increasing or decreasing size.
Bei einer anderen sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Membran, bei der die Mittel wiederum korpuskulare Elemente sind, werden diese an die Porenwand der Membran selbst angelagert und verbleiben dort fortwährend. In another very advantageous embodiment of the Membrane in which the means in turn corpuscular Are elements, these are attached to the pore wall of the membrane themselves deposited and remain there continuously.
Vorteilhafterweise sind die Mittel grundsätzlich chemisch inert, d. h. nehmen an der Wechselwirkung zwischen Substanz und den Biomolekülen nicht teil. D. h. mit anderen Worten, daß die chemisch inerten Turbulenzmittel, da sie einen mechanischen Widerstand für die Substanzlösung bilden, ausschließlich physikalisch bedingt für die turbulente Strömung der Substanzlösung bzw. des Gemisches aus Substanzlösung und des in den Poren erzeugten Produkts sorgen. The means are advantageously basic chemically inert, d. H. participate in the interaction between Substance and the biomolecules not part. I.e. With in other words, that the chemically inert Turbulence as it provides mechanical resistance to the Form substance solution, only physically conditioned for the turbulent flow of the substance solution or the mixture of substance solution and in the Pore-generated product.
Es hat sich aber auch als vorteilhaft erwiesen, turbulenzerzeugende Mittel aus einem Gemisch chemisch inerter und chemisch reaktiver korpuskularer Elemente auszubilden, so daß es beispielsweise möglich ist, daß bei geeigneter chemisch reaktiver Anpassung der korpuskularen Elemente an den Membranwerkstoff in den Poren die Anlagerung an die Porenwandungen ermöglicht bzw. verbessert wird. But it has also proven to be advantageous turbulence-generating agents from a mixture of chemically inert and chemically reactive corpuscular elements train, so that it is possible, for example, that at appropriate chemically reactive adaptation of the corpuscular Elements on the membrane material in the pores Attachment to the pore walls enables or improves becomes.
Dabei ist es vorteilhaft, die reaktiven korpuskularen Elemente aus einem chemisch inerten Kern und einer chemisch reaktiven Umhüllung auszubilden. Mit der zusätzlichen chemisch reaktiven Umhüllung kann die gesamte Oberfläche der Porenwand geschickt vergrößert werden, mit der Folge, daß wesentlich mehr Biomoleküle pro Volumen auf der Oberfläche gebunden werden können, wodurch die Leistungsfähigkeit der Membran wesentlich und gezielt erhöht werden kann. It is advantageous to use the reactive corpuscular Elements from a chemically inert core and one to form chemically reactive coating. With the additional chemically reactive coating can cover the entire Surface of the pore wall can be cleverly enlarged, with the result that significantly more biomolecules per Volumes can be bound on the surface making the performance of the membrane essential and can be increased in a targeted manner.
Die korpuskularen Elemente, die für die turbulente Strömung der Sustanzlösung in den Poren sorgen, können an sich eine beliebige geeignete Struktur aufweisen. Es hat sich dabei aber als vorteilhaft herausgestellt, die korpuskularen Elemente im wesentlichen mit einer kugelförmigen Struktur zu versehen, deren Herstellung im Vergleich zu anderen Strukturen ggf. einfacher ist. The corpuscular elements responsible for the turbulent Flow of the substance in the pores have any suitable structure per se. It has proven to be advantageous, however corpuscular elements essentially with a to provide spherical structure, the manufacture of which in Comparison to other structures may be easier.
Die korpuskularen Elemente können grundsätzlich aus beliebigen geeigneten Werkstoffen bestehen, wobei sich als vorteilhaft herausgestellt hat, die korpuskularen Elemente beispielsweise aus Polystyren (Latex) auszubilden. Dieser Werkstoff weist für die hier beschriebenen Anwendungszwecke der Polymermembran ein gutes chemisch inertes Verhalten auf. The corpuscular elements can basically consist of any suitable materials, where has shown to be advantageous, the corpuscular Elements made of polystyrene (latex), for example train. This material points for the here applications of the polymer membrane described a good chemically inert behavior.
Die oben beschriebenen chemisch reaktiven korpuskularen Elemente bestehen wenigstens teilweise aus Polyglyceridmetachrylat, es sind aber auch andere chemisch reaktive Werkstoffe denkbar. The chemically reactive corpuscular described above Elements consist at least partially Polyglyceride metachrylate, but there are also others chemically reactive materials conceivable.
Der mittlere Durchmesser der korpuskularen Elemente wird weitgehend in Abhängigkeit des membranbildenden Werkstoffs, der Substanzlösung, sowie des Porendurchmessers und ggf. auch in Abhängigkeit der Art der in die Porenwand einzulagernden Biomoleküle gewählt. Es hat sich herausgestellt, den mittleren Durchmesser der korpuskularen Elemente vorzugsweise im Bereich von 50 bis 1000 nm je nach vorgegebenem Porendurchmesser auszuwählen, wobei besonders vorteilhafterweise ein Viertel des Durchmessers der mittleren Porengröße ausgewählt wird. The average diameter of the corpuscular elements is largely depending on the membrane-forming Material, the substance solution, and the pore diameter and possibly also depending on the type of in the Pore wall selected biomolecules. It has exposed the average diameter of the corpuscular elements preferably in the range of 50 to 1000 nm depending on the given pore diameter, whereby a quarter of the Diameter of the average pore size is selected.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß der mittlere Durchmesser der korpuskularen Elemente bei den chemisch inerten und chemisch reaktiven korpuskularen Elementen gleich oder unterschiedlich gewählt werden kann. It should also be noted that the middle one Diameter of the corpuscular elements in the chemical inert and chemically reactive corpuscular elements can be chosen the same or different.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
Polymermembran ist dadurch gekennzeichnet, daß die der
Membran zugeführte Substanzlösung
- a) zunächst mit korpuskularen Elementen beladen wird,
- b) anschließend in die Poren der Membran geleitet wird,
- c) anschließend an den Orten gemäß Merkmal b. eine vorbestimmte Zeit bei vorbestimmter Temperatur belassen und
- d) schließlich mit wenigstens einem Lösemittel gewaschen wird.
- a) is first loaded with corpuscular elements,
- b) is then passed into the pores of the membrane,
- c) then at the locations according to characteristic b. leave at a predetermined temperature for a predetermined time and
- d) finally washing with at least one solvent.
Der Vorteil der Lösung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß eine derart hergestellte Membran die Voraussetzung dafür schafft, daß kontinuierliche bioaffine, beispielsweise biokatalytische, Herstellungsprozesse von Produkten sehr viel wirtschaftlicher gestaltet werden können als bisher, d. h. auch in technischem Maßstab durchführbar sind, beispielsweise zur Herstellung von Medikamenten, Lebensmittelzusatzstoffen, die bestimmte Verträglichkeitseigenschaften aufweisen müssen, und anderen Produkten. The advantage of solving the method according to the invention is that a membrane made in this way The prerequisite for this is that continuous bioaffins, for example biocatalytic, Manufacturing processes of products much more economical can be designed as before, d. H. also in are technically feasible, for example Manufacture of medicines, food additives, which have certain compatibility properties need, and other products.
Das Verfahren wird vorteilhafterweise dadurch weitergebildet, daß eine Mischung aus chemisch inerten und chemisch reaktiven korpuskularen Elementen verwendet wird, wobei die Dichte der Beladung der Porenwand mit chemisch reaktiven korpuskularen Elementen aufgrund ihrer vorbestimmten, gewollten Wechselwirkung gezielt mit dem Werkstoff der Membranen in den Poren auch eingestellt werden kann. The method is advantageously thereby further developed that a mixture of chemically inert and chemically reactive corpuscular elements used is, the density of the loading of the pore wall with chemically reactive corpuscular elements due to their predetermined, desired interaction with the material of the membranes in the pores too can be adjusted.
Die Verweilzeit gemäß Merkmal c. kann in Abhängigkeit des Werkstoffs der Membran, des Werkstoffs der korpuskularen Elemente, des chemisch reaktiven Werkstoffs der korpuskularen Elemente und auch der mechanischen Dimensionen der Membran gewählt werden. Es hat sich aber als vorteilhaft herausgestellt, die Verweilzeit beispielsweise im Bereich von 12 h vorzusehen, wobei die Temperatur dabei vorzugsweise im Bereich der Raumtemperatur liegt, so daß für die Herstellung keine besonderen Maßnahmen in bezug auf Temperierung des Einlagerungsvorganges getroffen werden müssen. Dieses schließt allerdings nicht aus, daß es für bestimmte Anwendungszwecke durchaus denkbar und möglich ist, die Temperierung auch im Bereich höherer Temperatur vorzusehen. The dwell time according to characteristic c. can be dependent the material of the membrane, the material of the corpuscular elements, the chemically reactive material of corpuscular elements and also the mechanical ones Dimensions of the membrane can be selected. But it turned out to be the residence time was found to be advantageous to be provided, for example, in the range of 12 h, the Temperature is preferably in the range of room temperature lies, so that no special for the production Measures related to tempering the Storage process must be taken. This closes however, it does not mean that it is used for certain purposes temperature control is also conceivable and possible to be provided in the area of higher temperature.
Das Verfahren wird, wie beschrieben, dadurch abgeschlossen, daß die mit den korpuskularen Elementen gefüllte Membran schließlich mit einer wässrigen Lösung ausgewaschen wird, um somit alle nicht fest gebundenen Partikel zu entfernen und wiederum eine hohe Membrandurchlässigkeit zu erreichen, wie sie vor der Beladung bestanden hat. Das Waschvorgang kann vorzugsweise mit einer wässrigen Lösung, beispielsweise nur mit Wasser ohne Zusätzen oder beispielsweise mit Wasser und wenigstens einem Tensid vorgenommen werden. The process is described as follows completed that with the corpuscular elements finally filled membrane with an aqueous solution is washed out, so that all not firmly bound Remove particles and turn a high one To achieve membrane permeability as it did before loading has passed. The washing process can preferably be carried out with an aqueous solution, for example only with water without additives or, for example, with water and at least one surfactant.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Darin zeigen: The invention will now be described with reference to the following schematic drawings using a Described embodiment. In it show:
Fig. 1 schematisch ein Ausgangssubstrat in Form von Saccharose, das mittels der Membran in Inulin und Glucose durch eine FTF-gestützte biokatalytische Umwandlung hergestellt wird, Fig. 1 shows schematically a starting substrate in the form of saccharose, which is produced by means of the membrane in inulin and glucose by an FTF-based biocatalytic conversion,
Fig. 2A einen schematischen Schnitt durch eine Pore der Polymermembran mit dem laminaren Strömungsverlauf der Substratlösung und der Blockierung des Enzymes durch die entstandenen Produktmoleküle als Ausgangssituation, Fig. 2A is a schematic section through a pore of the polymer membrane with the laminar flow pattern of the substrate solution and the blocking of the enzyme molecules through the resulting product as the starting situation,
Fig. 2B eine Erhöhung des Strömungsgradienten an den Enzymmolekülen durch Einbau von Partikeln an der Porenwand, die als Strömungsschikanen wirken und so einen schnellen Produktabtransport bewirken, FIG. 2B, an increase in flow gradient of the enzyme molecules by incorporation of particles on the pore walls, which act as flow baffles and thus bring about a rapid removal of product,
Fig. 3 einen Schnitt durch die Membran, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop, die korpuskularen Elemente, die in den Poren in Form von Latexkugeln eingelagert sind, Fig. 3 is a section through the membrane, taken with a scanning electron microscope, the corpuscular elements which are embedded in the pores in the form of latex beads,
Fig. 4 eine graphische Darstellung des stark zunehmenden Verstopfungsverhaltens als deutliche Abnahme des Fluxes von nicht mit korpuskularen Elementen beladener Membranen in Form von Kernspurmembranen und darin ausgebildeter zylinderförmiger Poren in Abhängigkeit ihres Durchmessers, Fig. 4 is a graphical representation of the rapidly increasing clogging behavior as a significant decrease in the flux of not loaded with particulate elements membranes in the form of nuclear track membranes and formed therein cylindrical pores, depending on their diameter,
Fig. 5 das Ergebnis einer Untersuchung eines flächigen Modellsystems eines mit Enzym beladenen porenfreien Films, inwieweit sich bei hoher Überströmgeschwindigkeit in einer Cross-Flow-Zelle die Aktivität des Systems in Abhängigkeit von der Reaktionszeit verändert, Fig. 5 shows the result of an investigation of a planar model system of a loaded with enzyme-porous film, the extent to-cell cross-flow changed at a high flow velocity in the activity of the system in dependence on the reaction time,
Fig. 6 das Ergebnis eines Versuches mit der erfindungsgemäßen Membran in Form einer Kernspurmembran mit einem Zylinderkapillardurchmesser von 1000 nm und gleicher Durchströmung von 320 l/hm2 mit und ohne zugeführte korpuskulare Elemente (Latexkugeln), Fig. 6 shows the result of an experiment with the membrane of the invention in the form of a nuclear track membrane with a Zylinderkapillardurchmesser of 1000 nm and the same flow of 320 l / hm 2 with and without added corpuscular elements (latex beads),
Fig. 7 ein Diagramm, bei dem die Abhängigkeit der Enzymaktivität, gemessen für Glucose und Fructose, einer Membran in Form einer Kernspurmembran mit Zylinderporendurchmesser von 400 nm, an deren Porenwänden das Enzym direkt gebunden ist, von der Reaktionszeit erkennbar ist. Die Enzymaktivität kann nicht mehr durch höhere Durchströmungsgeschwindigkeit zurückerhalten werden, während bei der Fig. 7 is a diagram in which the dependence of the enzyme activity measured for glucose and fructose, a membrane in the form of nm of a nuclear track membrane with cylindrical pores diameter of 400, the enzyme is directly attached to the pore walls, it can be seen from the reaction time. Enzyme activity can no longer be recovered from the higher flow rate during the
Fig. 8 erfindungsgemäßen Membran in gleich skaliertem Diagramm gemäß Fig. 7, bei der durch die durch die korpuskularen Elemente erzeugten Strömungswirbel bei gleicher Anfangsgeschwindigkeit von 32 l/hm2 deutlich länger eine höhere Aktivität bei höherer Anfangseffektivität ersichtlich ist, die durch eine stärkere Enzymbeladung bedingt ist. Durch eine höhere Durchströmungsgeschwindigkeit kann sogar die Enzymaktivität wieder erhöht werden. Fig. 8 membrane according to the invention in the same scaled diagram according to Fig. 7, in which by the vortex generated by the corpuscular elements at the same initial speed of 32 l / hm 2 a higher activity with higher initial effectiveness can be seen, which is due to a stronger enzyme loading is. A higher flow rate can even increase the enzyme activity again.
Zunächst wird Bezug genommen auf die Darstellung von Fig. 2A. Eine Polymermembran 10, von der hier beispielsweise lediglich eine Pore 11 bzw. ein Kanal 11 im Querschnitt dargestellt ist, wird beispielsweise auf übliche Weise hergestellt. Es kann sich im vorliegenden Falle bei der Polymermembran 10 um eine sogenannte Kernspurmembran mit sehr einheitlichen Poren 11, beispielsweise in Form von durchgängigen zylindrischen Kanälen, handeln. Bei der bestimmungsgemäßen Funktion der Membran 10 wird eine Substanz bzw. Substanzlösung 15 eingangsseitig 16 der Membran 10 zugeführt. In die Poren bzw. Kanäle 11 der Membran 10 sind zuvor Biomoleküle in Form von Enzymen 12 eingelagert worden, vgl. auch dazu die DE-PS 196 48 881. Aus dem in der Darstellung von Fig. 2A unten gezeigten Ausgang 17 tritt nach der biokatalytischen Reaktion das Produkt 21 und die hindurchfließende Substrat- bzw. Substanzlösung 15 in Form eines Gemisches 19 (Permeand) aus. Reference is first made to the illustration of FIG. 2A. A polymer membrane 10 , of which only a pore 11 or a channel 11 is shown in cross section, for example, is produced in the usual way, for example. In the present case, the polymer membrane 10 can be a so-called core track membrane with very uniform pores 11 , for example in the form of continuous cylindrical channels. When the membrane 10 functions as intended, a substance or substance solution 15 is fed to the membrane 10 on the inlet side 16 . Biomolecules in the form of enzymes 12 have previously been incorporated into the pores or channels 11 of the membrane 10 , cf. also the DE-PS 196 48 881. From the outlet 17 shown in the illustration of FIG. 2A below, after the biocatalytic reaction, the product 21 and the substrate or substance solution 15 flowing through it emerge in the form of a mixture 19 (permeand).
Bei der hier beispielhaft beschriebenen enzymatischen Reaktion mit einer Fructosyltransferase (FTF), vgl. Fig. 1 wird Saccharose als Substanz 15 zunächst in Glucose 21a und einen aktiven Fructosylrest gespalten. Augenblicklich danach verbinden sich in einer gekoppelten Reaktion diese Fructosylreste mit ihrer Bindungsenergie zum Polyfructan 21. Wird das Enzym 12 in den Poren 11 der Polymermembran 10 kovalent immobilisiert, so kann bei einer druckgetriebenen transmembranen Passage der Substanz 15 diese Reaktion kontinuierlich betrieben werden. Bei Verwendung z. B. von Inulinsucrase (FTF) aus Streptokoccus mutans entsteht auf diese Weise Inulin mit hoher Molmasse MW: 10. . .80 Mio Dalton bei einer sehr geringen Polydispersität P: 1,1. (Hicke et al.) In the enzymatic reaction with a fructosyl transferase (FTF) described here as an example, cf. Fig. 1 sucrose is cleaved into glucose substance 15 first 21 a and an active fructosyl. Immediately afterwards, these fructosyl residues combine with their binding energy to form polyfructane 21 in a coupled reaction. If the enzyme 12 is covalently immobilized in the pores 11 of the polymer membrane 10 , this reaction can be carried out continuously in the case of a pressure-driven transmembrane passage of the substance 15 . When using z. B. of inulin sucrase (FTF) from Streptokoccus mutans, inulin with high molecular weight M W : 10. .80 million daltons with a very low polydispersity P: 1.1. (Hicke et al.)
Bisher übliche integral-asymmetrische Membranen mit Poren unterschiedlicher Geometrie und Größe verstopfen sehr schnell. Es werden deshalb erfindungsgemäß als Polymermembranen 10 vorzugsweise sogenannte Kernspurmembranen mit sehr einheitlichen Poren in Form von durchgängigen Zylinderkanälen bzw. -kapillaren verwendet. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß erst bei einem Durchmesser der Poren 10 von 3000 nm, d. h. ohne Beladung von korpuskularen Elementen 20, kaum noch eine Verstopfung auftritt. Allerdings wurde schon nach 12 h nur noch eine geringe Enzymaktivität gemessen. Mit Hilfe eines flächigen Modellsystems eines mit dem Enzym 12 beladenen porenfreien Films, vgl. Fig. 5, wurde untersucht, inwieweit sich bei hoher Überströmgeschwindigkeit in einer Cross-Flow-Zelle die Aktivität in Abhängigkeit von der Reaktionszeit verändert. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß in jedem Einzelfall, auch bei dem Vergleich mit geringer Überströmung, die anhand der Glukosebildung gemessene Enzymaktivität über längere Zeiträume (insgesamt 440 h) erhalten bleibt. Allerdings ist nach 140 h nur noch wenig Inulinaktivität vorhanden, da sich das Glucose/Fructose-Verhältnis auf nahezu 1 : 1 einstellt. Dieser Sachverhalt stützt die Annahme, daß in den Poren 11 nur deshalb so schnell keine Enzymaktivität mehr gefunden wird, weil sich an der Porenwand 110 eine Diffusionszone ausbildet, vgl. Fig. 2A, in der sich das Produkt 21 schneller bildet, als es herausdiffundieren kann, wodurch das Enzym 12 gleichsam "erstickt", vgl. dazu wiederum Fig. 2. Integral-asymmetrical membranes with pores of different geometry and size that have been customary up to now clog very quickly. According to the invention, therefore, so-called nuclear membrane membranes with very uniform pores in the form of continuous cylinder channels or capillaries are preferably used as polymer membranes 10 . From Fig. 4 it can be seen that only with a diameter of the pores 10 of 3000 nm, ie without loading of the corpuscular elements 20 , hardly any clogging occurs. However, only a low enzyme activity was measured after 12 hours. With the help of a flat model system of a pore-free film loaded with the enzyme 12 , cf. Fig. 5, it was investigated to what extent at high flow velocity in a cross-flow cell alters the activity as a function of the reaction time. It can be seen from FIG. 5 that in each individual case, even when comparing with a small overflow, the enzyme activity measured on the basis of glucose formation is retained over longer periods (440 h in total). However, there is little inulin activity after 140 h since the glucose / fructose ratio is almost 1: 1. This fact supports the assumption that no enzyme activity can be found in the pores 11 so quickly only because a diffusion zone forms on the pore wall 110 , cf. Fig. 2A, the product 21 is in the faster than it can diffuse out, whereby the enzyme 12 as it were "choking", see FIG. again Fig. 2.
Gemäß der erfindungsgemäßen Polymermembran Fig. 2B läßt sich der gewünschte konvektive Stofftransport durch Zugabe von korpuskularen Elementen, hier im Beispiel in Form von Polystyren-Latexkugeln (Durchmesser dK: 100 nm) in die Substratlösung 15 deutlich verbessern. Bei enzymbeladenen Membranen 10 in Form von Kernspurmembranen mit einem Zylinderkapillardurchmesser dZ: 1000 nm und gleicher Durchströmung J: 320 l/hm2 ist bei einem Zusatz von korpuskularen Elementen 20 in Form von Polystyren-Latexkugeln nicht nur deutlich mehr Produkt 21 entstanden, sondern darüber hinaus auch ein sehr günstiges Glucose/Fructose-Verhältnis festzustellen. Der sehr geringe Fructosegehalt läßt einen hohen Anteil am Zielprodukt Inulin erwarten. Die korpuskularen Elemente 20 in Form von Latexkugeln erhalten vor Eintritt in den Eingang der Poren 11 einen Drall (Dean-Wirbel). Durch diese Rotationsgeschwindigkeit werden die korpuskularen Elemente 20 in Form von Latexkugeln aus der Laminarströmung herausbewegt und stoßen dann an die Porenwandung 110. Der Abprall bewirkt die Entstehung weiterer Turbulenzen und damit den gewünschten konvektiven Stofftransport. Gemäß der Erfindung sollte der die Ausbildung einer Laminarströmung störende Effekt ebenfalls dazu genutzt werden, die korpuskularen Elemente 20 an der Porenwandung 110 zu befestigen und gleichsam als in die Strömung des Substrats 15 bzw. der Substratlösung hineinragende Schikanen die Entstehung von Turbulenzen bewirken. Ferner soll durch die mit der Bindung der korpuskularen Elemente 20 größere spezifische Oberfläche eine größere Enzymmenge pro Flächen- bzw. Volumeneinheit immobilisiert werden (s. Fig. 2B). According to the polymer membrane according to the invention FIG. 2B, the desired convective mass transfer can be significantly improved by adding corpuscular elements, here in the example in the form of polystyrene latex balls (diameter d K : 100 nm) into the substrate solution 15 . In the case of enzyme-loaded membranes 10 in the form of nuclear track membranes with a cylindrical capillary diameter d Z : 1000 nm and the same flow rate J: 320 l / hm 2 , with the addition of corpuscular elements 20 in the form of polystyrene latex balls, not only significantly more product 21 was created, but above that also find a very favorable glucose / fructose ratio. The very low fructose content suggests a high proportion of the target product inulin. The corpuscular elements 20 in the form of latex balls are given a swirl (Dean vortex) before entering the pores 11 . As a result of this rotational speed, the corpuscular elements 20 are moved out of the laminar flow in the form of latex balls and then abut the pore wall 110 . The rebound creates further turbulence and thus the desired convective mass transfer. According to the invention, the effect which interferes with the formation of a laminar flow should also be used to fasten the corpuscular elements 20 to the pore wall 110 and, as it were, to create turbulence as baffles protruding into the flow of the substrate 15 or the substrate solution. Furthermore, the larger specific surface area associated with the binding of the corpuscular elements 20 is intended to immobilize a larger amount of enzyme per unit area or volume (see FIG. 2B).
Mit einem Gemisch z. B. aus 3 RT einer 2%-igen Latexlösung, deren Kugeln (dK: 250 nm) chemisch inert sind, d. h. nur aus Polystyren bestehen, und 1 RT eine 2%-ige Latexlösung ist, deren Kugeln aus einem Polystyrenkern und einem chemisch reaktiven Mantel aus Polyglycidilmetachrylat aufgebaut sind, werden die Poren 11 der Polymermembran 10 gefüllt und beispielsweise 12 h bei z. B. Raumtemperatur stehen gelassen. Nach einer Waschprozedur mit Wasser und einer 0,1%-igen Tensidlösung wurde bei der Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit der Polymermembran 10 annähernd wieder der Ausgangswert gemessen. With a mixture z. B. from 3 RT of a 2% latex solution, the balls (d K : 250 nm) are chemically inert, ie consist only of polystyrene, and 1 RT is a 2% latex solution, the balls of a polystyrene core and a chemical reactive sheath made of polyglycidil metachrylate, the pores 11 of the polymer membrane 10 are filled and for example 12 h at z. B. room temperature. After a washing procedure with water and a 0.1% surfactant solution, the initial value was again measured when determining the water permeability of the polymer membrane 10 .
Die Immobilisierung der Fructosyltransferase FTF (Inulinsucrase) erfolgt über 20 h bei Raumtemperatur und pH 7,2 an diese kovalent gebundenen korpuskularen Elemente 20 (Latices). Nach mehrmaligem Waschen mit Phosphat-Puffer pH 7,2 und Spülen mit Tensidlösung wurde die enzymatische Reaktion genau wie oben mit 5%-iger Saccharoselösung bei pH 7,2 und 28°C durchgeführt. Das Ergebnis ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt. The immobilization of the fructosyl transferase FTF (inulin sucrase) takes place over 20 h at room temperature and pH 7.2 to these covalently bound corpuscular elements 20 (latices). After washing several times with phosphate buffer pH 7.2 and rinsing with surfactant solution, the enzymatic reaction was carried out exactly as above with 5% sucrose solution at pH 7.2 and 28 ° C. The result is shown in FIGS. 7 and 8.
Aus dem Diagramm gemäß Fig. 7 ist die Abhängigkeit der Enzymaktivität (gemessen für Glucose und Fructose) einer als Kernspurmembran ausgebildeten Polymermembran 10 mit zylinderförmigen Poren 11 mit einem Durchmesser von DZ: 400 nm, an deren Porenwandungen 110 das Enzym 12 direkt gebunden wurde, von der Reaktionszeit zu erkennen. Diese Polymermembran 10 wurde für den Vergleich ausgewählt, um die Porenverteilung bei der erfindungsgemäßen Membran auf 500 nm durch die gebundenen Latices mit DZ 250 nm annähernd berücksichtigen zu können. Die Polymermembran ist bei einer Durchströmgeschwindigkeit v: 32 l/hm2 nach einer Reaktionszeit t > 70 min irreversibel verstopft. The diagram according to FIG. 7 shows the dependence of the enzyme activity (measured for glucose and fructose) on a polymer membrane 10 formed as a nuclear trace membrane with cylindrical pores 11 with a diameter of D Z : 400 nm, to the pore walls 110 of which the enzyme 12 was directly bound, recognizable by the response time. This polymer membrane 10 was selected for the comparison in order to be able to approximately take into account the pore distribution in the membrane according to the invention to 500 nm due to the bound latices with D Z 250 nm. The polymer membrane is irreversibly blocked at a flow rate v: 32 l / hm 2 after a reaction time t> 70 min.
Die erfindungsgemäße Polymermembran 10 in gleich skaliertem Diagramm gemäß Fig. 9 zeigt durch die erzeugten Strömungswirbel bei gleicher Anfangsgeschwindigkeit v: 32 l/hm2 deutlich länger eine höhere Aktivität bei höherer Anfangsaktivität, die aus der stärkeren Enzymbeladung resultiert. The polymer membrane 10 according to the invention in the same scaled diagram according to FIG. 9 shows, due to the flow vortices generated at the same initial speed v: 32 l / hm 2, a higher activity with a higher initial activity, which results from the stronger enzyme loading.
Die Verstopfung ist, anders als bei der
Vergleichsmembran, reversibel. Das heißt, daß mit zunehmender
Überströmgeschwindigkeit v: 320 und 1000 l/hm2 die
Polymermembran 10 wieder freigespült wird, wobei die
Aktivität gemessen an Glucose dabei dann ebenfalls wieder
ansteigt.
Bezugszeichenliste
10 Polymermembran
11 Pore/Kanal
110 Porenwandung
12 Biomolekül (Enzym)
13 Porenlänge
14 Porenquerschnitt
15 Substanzlösung/Substanz
16 Eingang
17 Ausgang
18 -
19 Gemisch (Produkt/Substanzlösung bzw. Substanz)
20 Mittel/korpuskulares Element
21 Produkt
In contrast to the comparison membrane, the constipation is reversible. This means that with increasing overflow velocity v: 320 and 1000 l / hm 2, the polymer membrane 10 is flushed out again, the activity measured in terms of glucose then also increasing again. Legend: 10 polymer membrane
11 pore / channel
110 pore wall
12 biomolecule (enzyme)
13 pore length
14 pore cross section
15 Substance solution / substance
16 entrance
17 exit
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