DE2414035C3 - Verfahren zum Herstellen von Enzyme einschließenden bzw. umhüllenden Fasern auf Cellulosebasis - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß viele Reaktionen, die normalerweise nicht ablaufen würden 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 oder synthetischen polymeren Material besteht.

Die Enzyme einschließenden Fasern können ausgehend von Polymerlösungen hergestellt werden, die darauf ausgerichtet sind, Fasern zu ergeben, worin enzymalische 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 den Gegenstand der italienischen Patentschrift 8 36 462 (bzw. der deutschen Patentschrift 19 32 426) der gleichen Anmelderin bilden, werden 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, wem sie dem nachfolgenden Spinnverfahren unterzo-

gen wird.

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

Man erhält nicht immer Enzyme einschließende Fasern mit hoher Permeabilität, wenn man einfach die Bedingungen zur Fäserherstellung einhält; dies beruht darauf, daß bei hohen Enzymkonzentrationen die Permeabilität noch ein einschränkender Faktor ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren zum Herstellen von Enzyme einschließenden bzw. umhüllenden Fasern auf Cellulosebasis, wobei Nitrocellulose in einem in Wasser unlöslichen Lösungsmittel gelöst, mit einer wäßrigen Enzymlösung vereinigt und die erhaltene Emulsion zu Fasern versponnen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man durch Behandeln der erhaltenen Fasern mit einem Reduktionsmittel unter Arbeitsbedingungen, die das Enzym nicht zerstören bzw. schädigen, die aus Nitrocellulose bestehenden Fasern unter Abspaltung des Nitro-Substituenten zu enzymhaltigen Cellulosefasern regeneriert. 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-Butyl-

phtalat, Methyl-amylketon, Äthyl-amylketon und anderen, die allein oder in geeigneter Weise durch aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Pentan, Hexan, Heptan, Octan, aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Toluol und Xylol, oder Kohlenwasserstoffgemische, wie Ligroin verdünnt, verwendet werden können.

Die Celluloselösung wird mit der wäßrigen, die Enzyme, die aus einer weiten Klasse gewählt sein können, enthaltenden Lösung versetzt. Beispielsweise kennen verwendet werden Urease, lnvertase, Lactase, Acylase, Transaminase, Glucose-oxidase, Catalase, Papin, Penicillinacylase und viele andere. Die Emulsion wird anschließend nach bekannten bzw. üblichen Techniken durch Anwendung bekannter Koagulantien, wie beispielsweise den in der vorstehend genannten italienisehen bzw. deutschen Patentschrift 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, wobei die das Enzym umschließende Cellulosefaser gebildet wird.

Als Reduktionsmittel werden Ammoniumsulfhydratlösungen bzw. Ammoniumhydrosulfidlösungen mit odor ohne überschüssiges Ammoniak oder überschüssiges Schwefelwasserstoff verwendet.

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

Beispiel 1

1000 g Nitrocellulose wurden in einer Lösung von 6900 g n-Butylacetat und 4 600 g Toluol gelöst. Es wurden anschließend 1 600 g einer wäßrigen Lösung zügesetzt, die das Enzym lnvertase enthielt.

Unter Rühren erhielt man eine Emulsion, die durch Öffnungen mit einem Durchmesser von 125 μ unter Verwendung eines Koaguliermittels gesponnen wurde, das aus einer Mischung von gesättigten Kohlenwasser-Stoffen mit Siedepunkten im Bereich von 40 bis 70°C bestand. Man erhielt etwa 2 600 g Faser, die das Enzym einschloß.

1 000 g dieser Faser, eingetaucht in eine 20%ige Saccharoselösung von pH-Wert 4,5 ergaben eine Inversion von 40 g Zucker/min.

1 000 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 eiue 20%ige Saccharoselösung vom pH-Wert 4,5 erhielt man eine Inversion von 490 g Zucker/min.

Beispiel 2

40

1 000 g Nitrocellulose wurden bei Raumtemperatur in einer Mischung aus 7 000 g n-Butylacetat und 3 750 g Toluol gelöst. 2 000 g einer wäßrigen Lösung des Enzyms lnvertase 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 20^cC in einer Mischung von gesättigten Kohlenwasserstoffen mit Siedepunkten im Bereich von 60 bis 8O⁰C koagulierte. Man erhielt etwa 3 000 g Faser.

1 000 g dieser Faser ergaben beim Eintauchen in eine 2O°/oige Saccharoselösung vom pH-Wert 4,5 eine Inversion von 505 g Zucker/min.

Weitere 1 000 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 1 890 g Zucker/min.

Beispiel 3

1 000 g Nitrocellulose wurden in einer Mischung aus 7 000 g n-Butylacetat und 3 750 g Toluol gelöst.

Anschließend wurden 2 000 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 3 000 g Faser. 1 500 g Fasern wurden in 37,51 einer lO-'m-Kaliumphosphatlösung vom pH-Wert 8,0, die 1 500 g Penicillin-G-Kalium enthielt, bei 37°C eingetaucht. Das in der Faser enthaltene Enzym katalysierte die Hydrolyse von Penillin zu 6-Aminopenicillar.säure 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 nach 227 Minuten erzielt.

2 000 g einer wäßrigen Lösung des Enzyms Penillinacylase wurden gemäß den vorstehenden Ausführungen von 1 000 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 1 000 g Cellulosetriacetat in 13 300 g Methylenchlorid hergestellt worden war. Diese Emulsion wurde gemäß Beispiel 1 versponnen, wobei als Koagulans Toluol diente.

1 000 g der ersten Faser, eingetaucht in 25 1 einer 10^zlm-Kaliumphosphatlösung vom pH-Wert 8.0, die 10% Penicillin-G-Kalium enhielt, hydrolysierten 90% des Penicillins während 219 Minuten bei 37°C.

Die zweite Faser hydrolysierte unter den gleichen Bedingungen 90% des Penicillins während 298 Minuten.

Weitere 1500 g 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 5b Minuten.

Es ist ersichtlich, daß die vorstehenden, Fasern betreffenden Ausführungen auch auf Filme, Mikrokapseln oder ähnliche Enzyme enthaltende Produkte angewendet werden können.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Enzyme einschließenden bzw. umhüllenden Fasern auf Cellulosebasis, wobei Nitrocellulose in einem in Wasser unlöslichen Lösungsmittel gelöst, mit einer wäßrigen Enzymlösung vereinigt und die erhaltene Emulsion zu Fasern versponnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Behandeln der erhaltenen Fasern mit einem Reduktionsmittel unter Arbeitsbedingungen, die das, Enzym nicht, zerstören bzw. schädigen, die-aus Nitrocellulose'bestehenden Fasern unter Abspaltung des Nitro-Substituenten zu enzymhaliigen Cellulosefasern regeneriert.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Reduktionsmittel eine Ammoniumsulfhydratlösung bzw. Ammoniumhydrogensulfidlösung als solche oder mit einem Gehalt eines leichten Überschusses von Ammoniak oder Schwefelwasserstoff verwendet.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Nitrocellulose in n-Butylacetat, bis-Butylphthalat, Methylamylketon oder Athylamylketon löst

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Nitrocellulose in einem in Wasser unlöslichen Lösungsmittel löst, das mit aliphatischen Kohlenwasserstoffen, aromatischen Kohlenwasserstoffen oder Mischungen von Kohlenwasserstoffen als Verdünnungsmittel versetzt wurde.