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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Mikrokapsel insbesondere zur Immobilisierung
von chemischem und/oder biologischem Material, sowie ein Verfahren
zu ihrer Herstellung, die in konzentrierten Medien stabil ist, die
jedoch bei Verdünnung
des Mediums schon bei einer relativ geringen mechanischen Beanspruchung
zerstört
wird, wodurch das eingeschlossene Material freigesetzt wird. Dieses
Material kann im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl eine chemische
Substanz wie z.B. ein Wirkstoff oder ein Enzym usw. oder auch biologisches
Material wie beispielsweise Mikroorganismen, Zellen oder Gemische
davon sein. Eine solche Kapsel besteht aus einem vorzugsweise kugelförmiggn Kern,
der das immobilisierte Material enthält, der von einer Hülle umgeben
sein kann, die diesen Kern vollständig umschließt.
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In
der technologischen Praxis kommt es häufig vor, dass verschiedene
Stoffe oder Organismen die bei Feuchtigkeit miteinander in Wechselwirkung treten
und sich dadurch gegenseitig zerstören, in Gemische eingearbeitet
werden müssen.
Normalerweise werden die Komponenten einzelnen und in getrockneter
Form eingearbeitet und das Gemisch in trockener Form aufbewahrt.
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Will
man ähnliche
Gemische als Flüssigkonzentrate
herstellen sind die Möglichkeiten
sehr begrenzt. Entweder man verzichtet auf einige kritische Komponenten
oder man nimmt nur relativ kurze Haltbarkeiten in Kauf.
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Durch
eine Verkapselung der kritischen Komponenten kann dieser Nachteil
kompensiert werden, da dadurch gewährleistet wird, dass diese
mit ihrem umgebenden Medium nicht mehr in Wechselwirkung treten.
Die eingesetzte Verkapselungstechnik muss allerdings sicherstellen,
dass das eingeschlossene Material bei Bedarf wieder freigesetzt wird,
damit das Gemisch seine volle Wirkung entfalten kann.
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Der
Begriff „Verkapselung" ist in der Fachliteratur
sehr verbreitet. Im technischen Maßstab haben sich bisher hauptsächlich Verfahren
durchgesetzt, bei denen erst Trägerpartikel
hergestellt werden, die anschließend mit einem Wirkstoff beladen
werden. Oft werden auch sogenannte Tauchverfahren, wie sie beispielsweise
bei der Herstellung von Medikamenten oder Süßigkeiten eingesetzt werden,
als Verkapselung bezeichnet, oder auch Sprühbeschichtungen wie sie in
Chemischen oder Pharmazeutischen Industrie verbreitet sind. Hierbei
werden Feststoffe durch Tauchen oder Besprühen mit einer Membran überzogen.
Für spezielle
Anwendungen werden häufig
auch Stoffe durch eine chemische Fällung in Gelpartikel eingeschlossen.
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Es
gibt auch zahlreiche Schutzrechte oder Schutzrechtsanmeldungen,
die Mikrokapseln zum Gegenstand haben. So beschreibt beispielsweise
die Offenlegungsschrift
DE
196 44 343 A1 eine Mikrokapsel mit einem Durchmesser von
einigen μm,
die in einem Emulsionsprozeß hergestellt
wird. Hier werden Öle
oder in diesem Öl
lösliche
Stoffe in einem Grundstoff beispielsweise Alginat emulgiert und
daraus in einem weiteren Emulsionsprozess 0,5–20 μm große Kapseln geformt, die dann
in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie eingesetzt werden können. Diese
Kügelchen
eigen sich aber nicht zur Immobilisierung größerer Feststoffpartikel, oder
gar lebender Zellen. Auch sind sie nicht für den den erfindungsgemäßen Zweck
einsetzbar.
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In
der US-Patentanmeldung 4,389,419 wird ein ähnliches Verfahren zur Verkapselung
von Ölen und öllöslichen
Substanzen beschrieben. Ähnlich dem
o.g. Schutzrecht wird hier eine Emulsion des Öls mit einem Grundstoff (Alginat)
in einem ersten Schritt erzeugt. Allerdings werden in diesem Fall
dem Alginat noch einige Füllstoffe
beigemengt und die Kapseln durch Extrudieren durch eine Düse und Fällen in einem
Fällbad
geformt und nicht durch einen weiteren Emulsionsschritt. Diese Kapseln
sind größer als die
im ersten Schutzrecht beschriebenen. Bei höherer mechanischer Beanspruchung
bluten die Kapseln aus, ähnlich
einem ölgetränkten Schwamm,
was sie ebenfalls von denen in der vorliegenden Erfindung beschriebenen
unterscheidet.
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Eine
Klasse für
sich sind sogenannte Membran-Kapseln. F. Lim und A. Sun beschreiben
in der Zeitschrift „Science
Band 210, Seiten 908–910,
Jahrgang 1980 eine Kapsel mit einer semipermeablen Membran zur Immobilisierung
von lebenden Zellen bei der der Kapselkern aus einer einzigen Schicht
eines Ply-I-Lysin/Alginatkompexes umgeben ist. Bei diesen Kapseln
wird eine Austreten der Zellen aus dem Kapselkern verhindert. Jedoch
können
darin keine Moleküle
von der Größe eines
Enzyms oder kleiner eingeschlossen werden, da die Membran dafür durchlässig ist.
Diese Membrankapsel eignet sich wegen ihrer relativ geringen mechanischen
Stabilität darüber hinaus
nicht zum Einsatz in technischen Prozessen.
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In
der Patentanmeldung
DE 43 12
970.6 wird eine Membrankapsel beschrieben, die auch zur
Immobilisierung von Enzymen und Proteinen geeignet ist. Hier ist
der Kern, der das Immobilisat enthält mit einer mehrlagigen Hülle umgeben,
wobei jede dieser Lagen der gesamten Hülle eine gewisse Eigenschaft verleiht. Über die
vorteilhafte Wahl der Hüllenpolymere
kann die Durchlässigkeit
der Membran so verringert werden, dass die Enzyme in der Kapsel
bleiben, währen
die viel kleineren Substrate und Produkte die Membran passieren
können.
Diese Kapseln sind bei sehr unterschiedlichen Konzentrationen des
umgebenden Mediums stabil. Die Membranen habe eine fest eingestellte,
definierte Durchlässigkeit
und verhindern so eine Freisetzung des eingeschlossenen Materials.
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Die
Patentschrift
EP 0
782 853 B1 beschreibt eine Mikrokapsel deren Hülle aus
mehreren speziellen Schichten aufgebaut ist. Mindestens eine dieser Schichten
besteht aus einem Material, das als Funktion einer Innenkonzentration
und/oder anderen physikalischen Größen seine Struktur und somit
die Porengröße der Hülle verändert. Bei
dieser Kapsel, bleibt der Kern immer erhalten. Lediglich die Hülle verändert ihre
Durchlässigkeit,
was zwar eine teilweise aber nicht eine vollständige Freisetzung des eingeschlossen
Materials ermöglicht.
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Auch
auf dem Gebiet der Waschmittel oder kosmetischen Erzeugnisse gibt
es eine Reihe von Patenten und Schutzrechtsanmeldungen, die Produkte
mit verkapselten Wirkstoffen beschreiben. Bei allen diesen Alle
diese Schriften beschreiben jedoch Kapseln, die entweder für biologisches,
lebendes Material völlig
ungeeignet sind oder nur durch eine äußere relativ hohe Beanspruchung
den eingeschlossenen Stoff freisetzen.
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So
sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 22 15 441 wässrige, flüssige Geschirrspülmittel
bekannt, die Kapseln aus den Polymeren Carrageenan, Polyvinylalkohol
oder Celluloseether beinhalten bekannt. Die Polymere und die Elektrolyte
sind so gewählt,
dass die Stabilität
der Kapseln im Mittel sowie deren Auflösung bei Verdünnung gewährleistet
sind. Die verwendeten Polymere sind jedoch für die Verkapselung von lebendem
Material nicht geeignet.
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Die
britische Patentschrift 1 471 406 betrifft flüssige, wässrige Waschmittel mit Kapseln
mit einem Durchmesser von 0,1 bis 5 mm. Diese Kapseln sollen empfindliche
Inhaltsstoffe temperatur-, lager und transportstabiler machen und
diese erst unmittelbar vor oder während der Anwendung freisetzten.
Die Inhaltsstoffe sind entweder ganz oder teilweise von den Kapseln
eingeschlossen wobei die Kapseln nicht näher definiert sind.
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Die
deutsche Anmeldung
DE 199 18
267 beschreibt ebenfalls flüssige Waschmittel mit verkapselten
Inhaltsstoffen. Als Kapseln im Sinne dieser Erfindung sind sämtliche
auf dem Markt angebotenen in tensidstabilen Sphären eingeschlossenen Materialien
definiert. Eine Methode zur Herstellung der Kapseln wird jedoch
nicht beschrieben.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde eine Kapsel zu
erzeugen, die sowohl leblose Stoffe als auch lebende Organismen enthalten
kann. Gleichzeitig ist ihre mechanische Festigkeit so einstellbar,
dass sie in technische Prozessen eingesetzt werden kann wobei sie
in konzentrierten Medien stabil ist und bei Verdünnung des Mediums bei relativ
kleiner mechanischer Belastung zerstört und so das eingeschlossene
Material freigesetzt wird. Die Kapsel soll in einer Vielzahl von
Medien verwendbar sein, diese nicht durch Ausbluten beeinträchtigen
und gleichzeitig ohne Einbußen
in ihrer Funktion, getrocknet werden können.
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Erfindungsgemäß wird das
Problem dadurch gelöst,
dass in einem ersten Schritt eine Kapsel in Flüssigphase hergestellt wird,
die das zu verkapselnde Material vollständig umschließt. In einem
zweiten Schritt wird die Kapsel getrocknet. Anschließend wird sie
in dem Konzentrat (z.B. Gel) mehrerer Stunden gelagert. Bei Verdünnung der
Kapsel-Konzentrat Suspension bauen sich in der Kapsel so hohe Spannungen
auf, dass eine leichte mechanische Beanspruchung zu ihrer Zerstörung und
Freisetzung des eingekapselten Materials führt.
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Der
Kerngedanke der Erfindung besteht demnach darin, die Matrix aus
der die Kapsel besteht erst zu trocknen und anschließend sie
mit einem konzentrierten Medium zu tränken, so dass bei einer Verdünnung des
Umgebungsmediums die Kapsel durch die im Inneren auftretenden Spannungen
zerstört wird.
Das Material, dass in der Kapselmatrix eingeschlossen ist wird dabei
freigesetzt. Um ein Ausbluten des in der Kapsel befindlichen Materials
während der
Lagerung der Kapsel zu verhindern kann diese von einer Hüllmembran
umgeben sein.
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Bei
geeigneter Wahl der Materialien und der Parameter des Herstellungsverfahrens
können
in einer solchen Kapsel eine Reihe unterschiedlicher Materialien
eingeschlossen werden, wie beispielsweise:
- – wasserlösliche oder
wasserunlösliche
Stoffe
- – fette, Öle, Emulsionen
oder Suspensionen
- – Feststoffe
- – lebende
oder tote Zellen
- – lebende
oder tote Mikroorganismen
- – Gemische
aus einer oder mehreren oben genannten Klassen
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Diese
Kapsel ist wie folgt aufgebaut: Der Kapselkern besteht aus einer
Grundsubstanz, aus der eine Matrix gebildet wird, in die das zu
immobilisierende Material eingebettet ist. Diese Grundsubstanz muß ein Stoff
sein, der vertropft werden kann, aus dem mittels einer Fällung durch
Ioneneinwirkung oder einen Temperaturgradienten vorzugsweise kugelförmige poröse Partikel
geformt werden können. Solche
Substanzen können
z.B. Na-Alginat aber auch Agarose oder Sephadex usw. sein.
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Wenn
durch die Kapsel beispielsweise Enzyme oder Öle, Emulsionen usw. oder auch
lebende Zellen oder Organismen eingeschlossen werden sollen oder
in allen anderen Fällen,
bei denen eine bestimmte mechanische Stabilität der Kapsel eingestellt werden
soll, ist es vorteilhaft, den Kapselkern mit einer zusätzlichen
Membran zu umgeben. Diese Membran kann aus einem Polyelektrolytkomplex,
der in mehrerer Lagen aufgebracht werden kann bestehen. Derartige
Polyelektrolytkomplexe werden gebildet aus dem Zusammenwirken eines
Polyanion und Polykations. Als Polyanion sind beispielsweise wasserlösliche Zellulosederivate
wie z.B. Carboxymethylcellulose, Cellulosesulfat oder auch Pectine,
Alginate aber auch synthetische Polymere wie Polyacryl- oder Polymethacrylsäuren usw.
zu verwenden. Als Polykation kommen vor allem Naturstoffe wie Chitosan
aber auch synthetische Polymere wie Polyethylenimin oder Polydiethyldiallylammoniumchlorid
in Betracht.
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Die
o.g. Membran kann aber auch durch ein direktes Beschichten mit verschiededen
Substanzen erzeugt werden. Dieses Beschichten kann entweder während einer
eventuellen Trocknung der Kapseln erfolgen oder durch ein nachträgliches
coaten aufgebracht werden. Sollen die Kapseln im Lebensmittel- oder
Pharmabereich eingesetzt werden kann diese Beschichtungssubstanz
entweder besipielsweise Schellack oder eine andere für den jeweiligen
Bereich zugelassene Substanz sein. Für den chemischen Bereich können dafür auch andere
filmbildende Verbindungen wie Z.B. Nitrocellulosederivate oder Polyvinylacetate
usw. verwendet werden.
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In
manchen Fällen
kann es auch von Vorteil sein, eine Kapsel durch eine Kombination
der beiden o.g. Ansätze
herzustellen. Bei einer derartigen Kapsel hätte man einen zusätzlichen
Parameter um die Lagereigenschaften zu beeinflussen und ein Ausbluten
des eingeschlossenen Materials und/oder eine Wechselwirkung mit
dem umgebenden Medium bei Lagerung zu verhindern wodurch ihre Zuverlässigkeit erhöht wird.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Mikrokapsel stellt sich
wie folgt dar:
In einem ersten Schritt wird in eine 1–2%-ige
Grundstofflösung,
beispielsweise Na-Alginat- das
zu verkapselnde Material eingerührt.
Anschließend
wird ein Füllstoff
wie beispielsweise Quarzsand oder Kieselerde beigemischt, so dass
das Gemisch anschließend
einen Trockengehalt von z.B. ca. 20–40% hat. Diese Mixtur wird
dann in ein Fällbad
eingetropft. Dieses Vertropfen kann durch jedes handelsübliche System
erfolgen, dass gleichmäßige Tropfengrößen liefert.
Beste Ergebnisse wurden mit sogenannten Zweistoffdüsen erzielt.
Dies sind Düsen,
bei denen der Tropfenabriß an
den Kapillaren durch die die Mixtur gepresst wird durch einen konzentrischen
Luftstrom erfolgt.
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Das
Fällbad
kann eine 1–2%-ige
Salzlösung sein,
die ein oder mehrere mehrwertige Metallionen enthält, wie
z.B. Ca++, Ba++,
usw. Setzt man dem Fällbad
eine verdünnte
Lösung
eines Polykations zu, wie beispielsweise Polyethylenimin, Chistosan
usw. entsteht zeitgleich mit dem Ausfällen eine dünne Membran, die ein Ausbluten
des eingeschlossenen Materials aus der Kapsel verhindert. Durch
weiderholtes Umspülen
dieser Kapsel mit unterschiedlich geladenen Polyelektrolytösungen kann
eine Membran aufgebaut werden, die der Kapsel eine der Anwendung entsprechende
mechanische Festigkeit verleiht. Bei diesem Vorgang ist es von Vorteil,
dass dieses Umspülen
in Form einer Wirbelschicht erfolgt. Hierfür werden die Kapseln in einem
geeigneten Gefäß von den
Beschichtungslösungen
mit einer Geschwindigkeit umspült,
die groß genug
ist die Kügelchen
nicht nur zu verwirbeln sondern sie auch in Schwebe zu halten.
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Anschließend werden
die Kügelchen
gewaschen und getrocknet. Das Trocknen kann mit handelsüblichen
Trocknern erfolgen wobei die besten Ergebnisse mit Wirbelschicht-
oder Wibrations-Chargentrocknern erzielt wurden. Der Feuchtigkeitsgrad nach
der Trocknung soll nicht höher
als 3–7%
betragen.
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Nach
dem Trocknen wird die Kapsel in dem konzentrierten Medium z.B. einem
Gel mehrere Stunden gelagert. Beste Ergebnisse wurden bei einer
Lagerung von über
24 Stunden erzielt. Verdünnt man
nun dieses konzentrierte Medium (Gel) um den Faktor 5, 10, oder
höher werden
die Kügelchen
zerstört
und setzen das eingeschlossene Material frei.