DE2414035A1 - Enzyme enthaltende cellulosefasern mit hoher permeabilitaet und verfahren zur herstellung - Google Patents

Description

Dr. F. Zumsteir. sen. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenlgsberger - Dlp'.-Phys. R. Hoizbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.

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Case 635

SNAM PROGETTI S.p.A., Mailand / Italien

Enzyme enthaltende Cellulosefasern mit hoher Permeabilität und Verfahren zur Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft in Cellulosefasern mit hoher Permeabilität eingeschlossene Enzyme und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Es ist bekannt, daß viele Reaktionen, die normalerweise nicht ablaufen wurden oder drastische Arbeitsbedingungen erfordern würden, durchführbar sind, wenn sie durch Enzyme katalysiert werden.

Es ist auch bekannt, daß Fasern Verwendung finden können, die Enzyme einschließen, die ihre katalytische Aktivität ausüben, ohne sich in die Reaktionsmasse zu verteilen bzw. ohne in die Reaktionsmasse auszutreten. Der Einschluß der Enzyme wird durch Verwendung einer Faser durchgeführt, die aus einem künstlichen

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oder synthetischen polymeren Material besteht.

Die Enzyme einschließenden Fasern können ausgehend von Polymerlösungen hergestellt werden, die darauf ausgerichtet sind, Fasern zu ergeben, worin enzymatische Verbindungen in der Form von sehr kleinen Tropfen in der Größenordnung bzw. im -Ausmaß Von Emulsionen dispergiert sind.

Die so erhaltene Emulsion . kann naß oder trocken unter Bildung einer Faser versponnen werden, die in ihrem Inneren sehr kleine Höhlungen aufweist, die die Enzyme enthalten, so daß sie von der Umgebung durch eine sehr dünne Membrane getrennt sind.

Enzyme einschließende Fasern, die bisher verwendet wurden und der Gegenstand der italienischen Patentschrift 836 462 (bzw.

des deutschen Patents , DOS1 932 426) der gleichen

Anmelderin bilden, werdefj ausgehend von Polymeren erhalten, die zur Bildung von Fasern angepasst sind, beispielsweise Cellulosederivate. Es ist jedoch nichts darüber bekannt, daß sie direkt ausgehend von nicht regenerierter Cellulose hergestellt werden können, da letztere Schwierigkeiten bereitet, wenn sie dem nachfolgenden Spinnverfahren unterzogen wird.

Die Verwendung von die Enzyme einschließenden Cellulosefasern weist hinsichtlich anderer Faserarten aufgrund des Permeabilitätsanstiegs der Faser selbst den Vorteil einer höheren Aktivität der enzymatischen Reaktionen auf. Tatsächlich wird die katalytische Aktivität der in Fasern enthaltenen Enzyme durch den Verteilungs- bzw. Ausbreitungsvorgang beeinflußt; daher hängt die enzymatische Wirksamkeit von der Permeabilität ab.

Man erhält nicht immer Enzyme einschließende Fasern mit hoher Permeabilität, wenn man einfach die Bedingungen zur Faserherstellung einhält; dies beruht darauf, daß bei hohen Enzymkonzentrationen die Permeabilität noch ein einschränkender Faktor ^ist· 4 0 9840/0977

Als Gegenstand der vorliegenden Erfindung wurde nunmehr gefunden, daß es möglich ist, Cellulosefasern, die Enzyme einschließen ausgehend von Substituenten enthaltenden Cellulosepolymeren herzustellen, die in geeigneter Weise mit den enzymatischen Lösungen emulgiert und anschließend versponnen werden, worauf schließlich die so erhaltenen Fasern Reaktionen unterzogen werden, durch die der Substituent * entfernt wird. Man erhält so eine Faser auf der Basis von nicht substituierter Cellulose, die das Enzym einschließt, die eine Permeabilität aufweist, die weit über der der substituierten Faser auf Cellulosebasis liegt. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert im wesentlichen auf einer chemischen Modifikation der Ausgangsfasermaterialien durch Einwirkung von Reduktionsmitteln und derartigen Arbeitsbedingungen, daß das Enzym nicht geschädigt bzw. zerstört wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Ausschaltung der vorstehend aufgezeigten Nachteile, und die nach dem Reduktionsverfahren erhaltenen, Enzyme einschließenden Fasern, die einen zweiten Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden, weisen einen hohen Permeabilitätsgrad auf.

Das verwendete Ausgangsmaterial besteht grundlegend aus Nitrocellulose mit einem hohen Molekulargewicht mit einem derartigen Stickstoffgehalt, daß das Material im wesentlichen in organischen Lösungsmitteln löslich ist, der vorzugsweise über 5% liegt.

Es wird in einem mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel gelöst, das aus n-Butylacetat, bis-Butylphthalat, Methyl-amylketon, Äthyl-amy!keton und anderen, die allein oder in geeigneter V/eise durch aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Pentan, Hexan, Heptan, Octan, aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Toluol und Xylol, oder Kohlenwasserstoffgemische, wie Ligroin verdünnt, verwendet werden können.

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Die Celluloselösung wird mit der wäßrigen, die Enzyme, die aus einer weiten Klasse gewählt sein können, enthaltenden Lösung versetzt. Beispielsweise können verwendet werden Urease, Invertase, Lactase, Acylase, Transaminase, Glucose-oxidase, Catalase, Papin, Penicillinacylase und viele andere. Die Emulsion wird anschließend nach bekannten bzw. üblichen Techniken durch Anwendung bekannter Coagulantien, wie beispielsweise den in der vorstehend genannten italienischen Patentschrift bzw. DOS genannten, versponnen.Außer dem Verfahren der Emulsionsdispersion des Enzyms in die Polymerlösung können andere Verfahren zur Herstellung von Fasern, die das Enzym umschließen, durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Enzym als Pulver in das Polymere dispergiert werden, welches anschließend nach bekannten bzw. üblichen Methoden versponnen wird. Die so erhaltene Faser wird mit einem Reduktionsmittel umgesetzt, das die Nitrogruppe entfernt und die das Enzym umschließende Cellulosefaser bildet, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellt.

Als Reduktionsmittel werden Ammoniumsulfydratlösungen bzw. Ammoniumhydro sulfidlösungen . mit oder ohne überschüssiges Ammoniak oder überschüssigen Schwefelwasserstoff verwendet.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung; aus ihnen sind weitere Arbeitsdetails ersichtlich.

Beispiel 1

1000 g Nitrocellulose (von der Snia Viscosa S.p.A.) wurden in einer Lösung von 6900 g n-Butylacetat und 4600 g Toluol gelöst. Es wurden anschließend 1600 g einer wäßrigen Lösung zugesetzt, die das Enzym Invertase enthielt.

Unter Rühren erhielt man eine Emulsion, die durch Öffnungen mit einem Durchmesser von 125 μ unter Verwendung eines Coaguliermittels gesponnen wurde, das aus einer Mischung von gesättigten Kohlenwasserstoffen mit Siedepunkten im Bereich von 40 bis 70° C

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bestand, Man erhielt etwa 2600 g Faser, die das Enzym einschloß.

1000 g dieser Faser, eingetaucht in eine 20#ige Saccharoselösung vom pH-Wert 4,5 ergaben eine Inversion von 40 g Zucker/min.

1000 g der Faser wurden mit einer 2%igen Ammoniaklösung behandelt, die mit Schwefelwasserstoff bis zu einem pH-Wert von 8,5 gesättigt worden war.

Nach 6 Reaktionsstunden wurde diese zweite Faser gewaschen. Beim Eintauchen in eine 20%ige Saccharoselösung vom pH-Wert 4,5 erhielt man eine Inversion von 490 g Zucker/min.

Beispiel 2

1000 g Nitrocellulose (von der Snia Viscosa S.p.A.) wurden bei Raumtemperatur in einer Mischung aus 7000 g n-Butylacetat und 3750 g Toluol gelöst. 2000 g einer wäßrigen Lösung des Enzyms lavertase wurden zu der erhaltenen Lösung gefügt.

Man erhielt unter Rühren eine Emulsion, die bei 1°C durch Öffnungen mit einem Durchmesser von 125 μ gesponnen wurde . und bei 20⁰C in .einer Mischung von gesättigten Kohlenwasserstoffen mit Siedepunkten im Bereich von 60 bis 80⁰C coagulierte.Man erhielt etwa 3000 g Faser.

1000 g dieser Faser ergaben beim Eintauchen in eine 20%ige Saccharoselösung vom pH-Wert 4,5 eine Inversion von 505 g Zucker/min.

Weitere 1000 g der Faser wurden 6 Std. mit einer wie im Beispiel 1 mit Schwefelwasserstoff gesättigten Ammoniaklösung behandelt. Nach der Behandlung ergab die resultierende Faser, eingetaucht in die gleiche Saccharoselösung wie im vorstehenden Beispiel, eine Inversion von 1890 g Zucker/min.

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Beispiel 3

1000 g Nitrocellulose (von Snia Viscosa S.p.A.) wurden in einer Mischung aus 7000 g n-Butylacetat und. 3750 g Toluol gelöst.

Anschließend wurden 2000 g einer wäßrigen Lösung des Enzyms Penicillinacylase zugesetzt, und das Ganze wurde zu einer Emulsion verrührt.

Die Emulsion wurde gemäß Beispiel 1 versponnen, und man erhielt 3000 g Faser. 1500 g Fasern wurden in 37,5 1 einer 10 m-Kaliumphosphatlösung vom pH-Wert 8,0, die 1500 g Penicillin-G-Kalium enthielt, bei 37°C eingetaucht. Das in der Faser enthaltene Enzym katalysierte die Hydrolyse von Penillin zu 6-Aminopenicillansäure und Phenyl-essigsäure.

Während der Reaktion wurde der pH-Wert durch Zusatz von Natriumhydroxid konstant gehalten. Auf solche Weise wurde eine 90%ige Umwandlung von Penillin nach227 Minuten erzielt.

2000 g einer wäßrigen Lösung des Enzyms--Penillin-acylase wurden gemäß den vorstehenden Ausführungen von 1000 g Nitrocellulose umhüllt und anschließend in der mit Schwefelwasserstoff gesättigten Ammoniaklösung gemäß Beispiel 1 behandelt.

Eine gleiche Lösung von Penicillin-acylase wurde in eine Lösung dispergiert, die durch Auflösen von 1000 g Cellulosetriacetat in 13300 g Methylenchlorid hergestellt worden war. Diese Emulsion wurde gemäß Beispiel 1 versponnen, wobei als Coagulans Toluol diente.

1000 g der ersten Faser, eingetaucht in 25 1 einer 10 m-Kaliumphosphatlösung vom pH-Wert 8,0, die 10% Penicillin-G-Kalium enthielt, hydrolysierten 90% des Penicillins während 219 Min bei 37°C.

Die zweite Faser hydrolysierte unter den gleichen Bedingungen

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90% des Penicillins während 298 Minuten.

Weitere 1500 g der Fasern wurden mit der mit Schwefelwasserstoff gesättigten Ammoniaklösung gemäß Beispiel 1 behandelt. Anschließend "beschleunigten sie unter den gleichen Bedingungen wie die nicht behandelten Fasern die Umwandlung von 90% Penicillin auf 56 Minuten.

Es ist ersichtlich, daß die vorstehenden, Fasern betreffenden Ausführungen auch für Filme, Mikrokapseln oder ähnliche Enzyme enthaltende Produkte gelten.

Lediglich das große Interesse des Anmelders auf dem Fasergebiet führte zu den vorstehenden Beispielen; für den Fachmann ist es jedoch leicht möglich, die erfindungsgemäßen Prinzipien weiter auszunutzen, ohne damit den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

In ähnlicher Weise ist es für den Fachmann leicht, Ausgangspolymermaterialien, die sich von Nitrocellulose, auf die lediglich zur besseren Veranschaulichung der Erfindung Bezug genommen wurde, unterscheiden, zu behandeln.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Enzyme enthaltende Cellulosefaser^ mit einer katalytischen Aktivität für enzymatische Reaktionen, mit einer hohen Per-

• meabilität.

2. Verfahren zur Herstellung von Enzymen einschließenden bzw. umhüllenden Cellulosefasern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein substituiertes Cellulosederivat in einem in Wasser unlöslichen Lösungsmittel löst, eine wäßrige Enzymlösung zu der Lösung fügt, die Emulsion Spinn- und Coagulationsbedingungen unterzieht und schließlich die erhaltene Paser mit einem Reduktionsmittel behandelt, um den Substituenten bei Arbeitsbedingungen zu entfernen, die das Enzym nicht zerstören bzw. schädigen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als substituiertes Cellulosederivat Nitrocellulose verwendet wird,

4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittel eine Ammoniurasulfhydratlösung bzw. Aimnoniumhydrogensulfidlösung als solche oder mit einem Gehalt eines leichten Überschusses von Ammoniak oder Schwefelwasserstoff verwendet wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das substituierte Cellulosederivat in einem in Wasser unlöslichen Lösungsmittel, ausgewählt aus n-Butylacetat, bis-Butylphthalat, Methylamylketon und Äthyl-amylketon gelöst wird.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das substituierte Cellulosederivat in einem

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in Wasser unlöslichen Lösungsmittel gelöst wird, das mit einem Verdünnungsmittel versetzt wurde, das aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen, aromatischen Kohlenwasserstoffen oder Mischungen von Kohlenwasserstoffen gewählt wird.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das umhüllte Enzym ausgewählt wird aus Urease, Invertase, Lactase, Acylase, Transaminase, Glucoseoxidase, Catalase, Papin, Tryptophansynthetase und Penicillinacylase.

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