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Reaktor bzw. Reaktorzelle mit einem
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durchgängig porösen Trägermaterial als Füllmasse Die Erfindung betrifft
Reaktoren bzw. Reaktorzellen zur Durchführung von organochemischen und biochemischen
Umsetzungen sowie von Trennprozessen einsch#ießlich Phasentrennungen, die eine poröse
Trägermasse einschließen. Sie betrifft ferner die Verwendung von durchgängig porösen
monolithischen Körpern, die gegebenenfalls eine Mikrostruktur besitzen und annähernd
gleichmäßige, kugelförmige Makroporen aufweisen, welche mit den
angrenzenden
Makroporen durch Porendurchtrittsöffnungen verbunden sind, als Träger für nieder-
bzw. hochmolekulare organische Verbindungen, Zellpartikel, ganze Zellen und Mikroorganismen
für die Durchführung von organochemischen und biochemischen Umsetzungen sowie von
Trennprozessen, einschließlich Phasentrennungen.
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Reaktoren bzw. Reaktorzellen für organochemische und biochemische
Umsetzungen sowie für Trennprozesse haben in den letzten Jahren insbesondere auf
den Gebieten der allgemeinen Biochemie, der organischen Chemie, der Lebensmitteltechnologie,
der biomedizinischen Technik und des Umweltschutzes eine steigende Bedeutung erlangt.
Bei all diesen Prozessen reagieren die in den strömenden, flüssigen Medien molekulardispers
oder kolloidal gelösten Substanzen oder suspendierten Partikel an der festen inneren
Oberfläche der Reaktoren.
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Zur Erzielung von hohen und gleichbleibenden Umsetzungs- bzw.
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Bindungsraten werden an derartige Reaktoren und an die Trägermaterialien
eine Reihe grundsätzlicher Anforderungen gestellt: Die Durchströmbarkeit des Reaktors
muß, bei gleichbleibender großer aktiver Oberfläche des Trägermaterials und optimaler
Verweildauer der durch den Reaktor strömenden flüssigen Medien, möglichst hoch sein.
Der Reaktor sollte auch bei hohen Durchflußraten nur einen geringen Strömungswiderstand
besitzen. Die Morphologie des Trägermaterials muß so beschaffen sein, daß
Bildung
von bevorzugten Strömungspfaden des flüssigen Mediums in dem Trägermaterial ausgeschlossen
werden kann und somit in dem Reaktor inaktive Totbereiche nicht auftreten. Zur Gewährleistung
gleichbleibender hoher Umsetzungsraten ist es erforderlich, daß sowohl das Trägermaterial,
die aktive Substanz, als auch die Bindung der aktiven Substanz zum Trägermaterial
gegenüber dem strömenden Medium und den darin enthaltenen Stoffen die größtmögliche
Stabilität und Resistenz aufweisen.
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Gleichzeitig sollen unspezifische Reaktionen zwischen dem Trägermaterial
und den darauf angebrachten aktiven Substanzen einerseits und zwischen dem Trägermaterial
und den im strömenden Medium vorhandenen Substanzen andererseits, nicht auftreten.
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Dabei sind unter aktiven Substanzen zu verstehen z.B. reaktive spezifische
Gruppen, Verbindungen und Partikel, insbesondere Proteine, Enzyme, Lektine, Coenzyme,
Enzymsubstrate und -analoge, Hormone, Aminosäuren, Peptide, Nukleinsäuren, Redoxverbindungen
und dergleichen, sowie Zellpartikel, ganze Zellen und Mikroorganismen.
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Es sind eine Reihe von Trägermaterialien bekannt, die durch chemische
Modifikation der Oberfläche die Einführung reaktiver Gruppen und dadurch die kovalente
Bindung von nieder- bis hochmolekularen Verbindungen und sogar ganzer Zellen erlauben
(L.B. Wingard, Enzyme Engineering" Adv. Biochem. Engineering, Vol.2 (1972), S. 1-48;
P. Cuatrecasas Affinity Chromatography of Macromolekules", Adv. Enzymology, 36 (1972),
S. 29-89).
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Hierbei handelt es sich um wasserunlösliche, meist mikroporöse Träger
auf Basis von anorganischen Werkstoffen, z.B. Glas, oder von organischen Polymerisaten,
z.B. Polyacrylamid, Polystyrol oder dergleichen.
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Bekannt sind ferner Reaktoren, die Schüttungen gelartiger Partikel
umfassen. Diese besitzen jedoch keine definierbare Durchströmbarkeit, die Durchströmungsverhältnisse
werden bei Änderung der Schüttungsstruktur, z.B. durch Sedimentation, Abrieb, Agglomeration,
Deformation bei höherer Druckbelastung, verändert und die durchgängigen Poren werden
bis zur völligen Verstopfung zugesetzt.
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Neben der chemischen Zusammensetzung des Trägermaterials kommt der
Morphologie desselben eine besondere Bedeutung zu. Bekannt sind z.B. Träger in Form
von Schläuchen, Fäden und Platten, mit denen in der Regel zwar eine gute Durchströmbarkeit
erzielt werden kann, bei denen jedoch eine relativ niedrige aktive Oberfläche zur
Verfügung steht. Deshalb sind die Umsetzungsraten in solchen System nicht zufriedenstellend.
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Trägerwerkstoffe aus Glas liegen in den meisten Fällen sowohl als
Partikelschüttungen unterschiedlicher Form, z.B. Kugeln, Splitter oder dergleichen,
und unterschiedlicher Größe, als auch in Form von gesinterten Strukturen, z.B. Fritten,
vor.
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Solche Träger weisen ebenfalls eine Inhomogenität der Porosität und
unzureichende Durchströmbarkeit auf.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Reaktoren bzw.
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Reaktorzellen zu schaffen, die eine solche Trägermasse einschließen,
daß eine optimale Durchströmbarkeit gewährleistet ist, Strömungspfade bzw. Totbereiche
ausgeschlossen sind und in denen eine große aktive Oberfläche zur Verfügung steht.
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Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann,
daß der Träger ein durchgängig poröser monolithischer Körper ist und annähernd gleichmäßige,
kugelförmige Makroporen aufweist, die mit den angrenzenden Makroporen durch Porendurchtrittsöffnungen
verbunden sind. Die Größe der Makroporen, der Porenverbindungen bzw. -durchtrittsöffnungen
können durch geeignete Maßnahmen bei der Herstellung so beeinflußt werden, daß sie
dem jeweiligen Verwendungszweck des Reaktors bzw. der Reaktorzelle angepaßt werden
können. Im allgemeinen weisen die Makroporen einen Durchmesser von 0,5 bis 10 mm,
vorzugsweise 1 bis 3 mm, auf. Der in den erfindungsgemäßen Reaktoren verwendete
Träger kann ferner gleichzeitig durch eine bestimmte, einstellbare Mikrostruktur
gekennzeichnet sein.
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Als Trägermaterial kommen insbesondere keramische, vorzugsweise oxidkeramische,
Werkstoffe und Kunststoffe infrage. Aber auch andereo Werkstoffe, z.B. Metallsinter,
können ebenfalls als Trägermaterial verwendet werden.
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Die Herstellung solcher Trägermaterialien erfolgt z.B. nach dem in
DT-PS 2 242 907 beschriebenen Verfahren. Die einstellbare offene
bzw.
durchgängige Nakroporosität des erfindungsgemäß verwendeten Trägers wird durch die
bei der herstellung eingesetzten Spacer bzw. durch die dichte Kugelpackung vorgegeben,
die mit der Trägermasse ausgegossen und nach dem zumindest teilweisen Aushärten
der Trägermasse entfernt wird. Insofern kann der Träger des erfindungsgemäßen Reaktors
bzw. der Reaktorzelle mit einer negativen Kugelpackung verglichen werden, bei der
die gebildeten Makroporen durch Porendurchtrittsöffnungen miteinander verbunden
sind. Die Porendurchtrittsöffnungen sind durch die Berührungsstellen der bei der
Herstellung des Trägers verwendeten Spacer bzw. der Kugelpackung bestimmt. Bei der
dichtesten Kugelpackung ist somit eine Makropore durch 12 Durchtrittsöffnungen mit
den angrenzenden Makroporen verbunden.
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Der Träger kann jedoch auch eine bestimmte einstellbare Mikrostruktur
aufweisen. Zur Erzielung dieser Mikrostruktur wird die Oberfläche des Trägers, z.B.
durch Ätzung, entsprechend modifiziert. Die Eigenschaften der zur Verfügung stehenden
Oberfläche können aber auch durch Aktivierung, Beschichtung oder dergleichen variiert
werden.
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Die Struktur des Trägermaterials ermöglicht eine optimale Durchströmbarkeit
und gleichzeitig die Ausnutzung einer großen aktiven Oberfläche. Die durchgehende
Makroporosität führt dazu, daß die hohe aktive Oberfläche, die durch die Mikrostruktur
entsteht, voll zum Tragen kommt, da ein geringer Strömungswiderstand
vorliegt
und Strömungspfade bzw. Totbereiche ausgeschlossen sind. Hierbei wird eine lange
Verweilzeit des durchströmenden Mediums im Reaktor erzielt. Die großen definierten
Durchtrittsöffnungen von Pore zu Pore ermöglichen ferner die Verwendung partikelhafliger
Durchflußmedien, Suspensionen und Emulsionen. Gleichweise begünstigt gegenüber z.B.
bisherigen Reaktorschüttungen und makroretikulären Polymergelen die definierte Makroporosität
auch die Durchführung von Reaktionen mit Gasentwicklung und Entfernung der gebildeten
Gase mit der Strömung, z.B biochemisch-enzymatische, mikrobielle oder zelluläre
Produktion ven H27 02 oder CO2, sowie von Reaktionen mit Verbrauch gelöster Gase,
z.B. 02-Verbrauch bei der GOD-Reaktion.
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Träger werden im allgemeinen in
zylindrischer Form hergestellt und in passende Rohre, z.B.
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aus Glas, eingesetzt oder eingeschmolzen. Dabei können die Abmessungen
der so entstehenden Reaktorzelle den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden. Durch
Hintereinanderschaltung mehrerer Reaktoren oder Reaktorzellen werden proportional
höhere Umsätze sowie Reaktionsfolgen erzielt.
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In den beiliegenden Abbildungen zeigen in schematischer Vereinfa chung
Figur 1 die erfindungsgemäße Reaktorzelle
Figur 2 einen Teilabschnitt
des Trägerskeletts mit Mikrostruktur und durchgängigen Makroporen.
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In Figur 1 befindet sich der Träger 1 in einer Reaktorzelle. Die Makroporen
des Trägers sind durch Porendurchtrittsöffnungen, die durch gepunktete Linien dargestellt
sind, miteinander verbunden.
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Die Makroporen können jedoch auch auf der Oberfläche des Trägers 1
Durchtrittsöffnungen 2 aufweisen. Daraus geht hervor, daß der erfindungsgemäß eingesetzte
Träger dem Skelett einer negativen Kugelpackung gleicht.
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Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß die Durchtrittsöffnungen 2 der Makroporen
4 durch die Berührungsstellen der bei der Herstellung des Trägers verwendeten Spacer
bestimmt werden. Der Träger 1 weist vorzugsweise eine Mikrostruktur 3 auf, wodurch
eine hohe aktive Oberfläche erzielt wird.
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An die erfindungsgemäß zu verwendenden Trägermaterialien werden aktive
Substanzen, wie reaktive spezifische Gruppen, Verbindungen und Partikel gebunden,
die je nach dem Anwendungsgebiet des Reaktors ausgewählt werden können. Dabei handelt
es sich insbesondere um Proteine, Enzyme, Lektine, Coenzyme, Enzymsubstrate und
-analoge, Hormone, Aminosäuren, Peptide, Nukleinsäuren, Redoxverbindungen und dergleichen,
sowie Zellpartikel, ganze Zellen und Mikroorganismen. Zur Einführung dieser aktiven
Substanzen bzw. Partikel an die Oberfläche der Träger sind zahlreiche
Verfahren
bekannt (O.R. Zaborsky, Immobilized Enzymes, CRC Press, Cleveland, 1973).
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Als Durchflußmittel können je nach Art des durchzuführenden Prozesses
Flüssigkeiten, Suspensionen oder Emulsionen(flüssigflüssig, flüssig-gasförmig) verwendet
werden. Die Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Reaktors werden durch die auf das
Trägermaterial angebrachten aktiven Substanzen, Partikel oder dergleichen sowie
durch die geeignete Auswahl der Durchflußmittel, bestimmt Ganz allgemein können
die erfindungsgemäßen Reaktoren für organochemische und biochemische Umsetzungen,
für Trennprozesse und Phasentrennungen herangezogen werden. Insbesondere eignen
sie sich jedoch für enzymatische Reaktionen, für den Einsatz in der medizinischen
Technik und in der Affinitätschromatographie.
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Durch Umsetzung mit reaktiven Silylverbindungen, die funktionelle
Gruppen aufweisen,konn#en z.B. Propylamin-Gruppeneingeführt werden.
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Daran können nach Umsetzung des Trägers mit Glutaraldehyd NH2-haltige
nieder- oder höhermolekulare organische Verbindungen, Peptide, Proteine, Nukleinsäuren
und dergleichen, Zellbestandteile, ganze Zellen und Mikroorganismen an den Träger
gebunden werden. Diese Verbindungen bzw. Zellbestandteile, Zellen und Mikroorganismen
können z.B. auch nach Einführen einer Diazogruppe in den Träger an denselben gebunden
werden.
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Bei der Affinitätschromatographie werden an den Träger Strukturen
gebunden, die mit speziellen Substanzen, Partikeln oder Zellen im Trenngut Bindungen
eingehen können. Das Trenngut wird durch den Reaktor, der in Form einer Säule ausgebildet
ist, geleitet, wobei diejenigen Teile festgehalten werden, die mit den vorher an
den Träger- fixierten Strukturen reagieren. Auf diese Weise wird entweder das Eluat
abgefangen oder die-festgehaltenen Zellen können z. B. nachträglich durch geeignete
Reagenzien desorbiert werden.
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In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird die vorliegende Erfindung
näher erläutert.
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Beispiel 1 Ein Träger aus A1203- oder SiO2- beschichtetem A1203 wird
in Quarzglas eingeschmolzen und eine Reaktorzelle erhalten. Der von Träger wird
nach dem P.J. Robinson et al beschriebenen Verfahren (Biochim. Biophys. Acta 242
(1972), S. 659-661) mit Triäthoxysilylpropylamin silyliert und eine Carboxylesterase
aus Schweineleber (E.C. 3.1.1.1) mit Glutaraldehyd oder nach Aktivierung mit Thiophosgen
nach dem Verfahren von H.H. Weetall sowie R.A. Messnig (Biochim. Biophys. Acta 212
(1970), S. 1-7; US-PS 3519 538) gebunden. Die enzymatische Aktivität der Esterase-Reaktorzelle
wird an der Bildung von Fluoreszein aus Fluoreszeindiacetat bei verschiedenen Durchflußgeschwindigkeiten
gemessen. Beim Hintereinanderschalten von mehreren Elementen werden bei fast unverändertem
Strömungswiderstand proportional höher Umsätze erhalten.
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Beispiel 2 Immobilisierung von Glucoseoxidase (GOD) und ß-Galactosidase:
Die Träger werden mit 40%iger Flußsäure, dann mit 10 N Natronlauge geätzt. Nach
Waschen und Trocknen werden sie mit Aminopropyl-triäthoxy-silan in#Toluol, danach
mit 5%iger Glutaraldehydlösung in Phosphatpuffer umgesetzt. Die gewaschenen Träger
werden sofort mit einer Lösung von 10 mg GOD/ml Phosphatpuffer umgesetzt. Die dabei
erhaltene enzymatische Aktivität beträgt 5,3 µMol/min~g Träger bzw. 3,9 /uMol/min-ml
Träger. Für ß-Galactosidase lauten die entsprechenden Werte 4,2 /uMol/min-g Träger,
bzw. 3,1 /uMol/min-ml Träger.
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Beispiel 3 Immobilisierung von ß-Galactosidase: Die silylierten Träger
werden mit einer 10%igen Lösung von p-Nitrobenzoylchlorid und Triäthylamin in Chloroform
umgesetzt.
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Die Reduktion der Nitrogruppen erfolgt mit 10%iger Natriumdithionitlösung.
Nach dem Diazotieren wird sofort mit 4 mg ß-Galactosidase/ml Phosphatpuffer bei
0 °C umgesetzt Die erhaltene enzymatische Aktivität beträgt 4,6 /uMolXminOg Träger
bzw. 3,4 ~uMol/min~ml Träger Hintereinanderschalten mehrerer Trägerzellen führt
zu proportional höheren Umsätzen und zu keiner Beeinflussung der Durchströmbarkeit
Beispiel 4 Immobilisierung von GOD: Die silylierten Träger werden wie unter Beispiel
3 p nitroben
zoyliert und nach Reduktion diazotiert. Danach wird
mit 6 mg GOD/ml Phosphatpuffer pH 6,5 umgesetzt. Die erhaltene Aktivität beträgt
5,4 /uMol/min'g Träger bzw. 4,0 /uMol/min'ml Reaktor.
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Beispiel 5 Affinitätschromatographie von Zellen: Auf den Träger werden
nach den unter Ausführungsbeispiel 2 genannten Bedingungen Lens culinaris Lectin
gebunden. Eine Suspension von Hela-Zellen in einem modifizierten PBS-Puffer mit
Zusatz von Albumin wird etwa 30 Minuten bei 37 0C durch den Reaktor geleitet. Danach
können die adsorbierten Zellen mit einer 0,2 M Lösung von Methyl- cx -D-mannopyranosid
wieder desorbiert werden.
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L e e r s e i t e