DE2815908C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine agglomerierte faserartige Ionenaustauscher- Cellulose-Zusammensetzung, die Enzyme wirksam adsorbiert und immobilisiert.
Frühere Verfahren zur Fructose-Herstellung, bei denen Glucose in Gegenwart alkalischer Katalysatoren in Fructose umgewandelt oder Sucrose zu Glucose und Fructose mittels Säure oder Invertase invertiert wird, sind heute größtenteils durch enzymatische Methoden verdrängt worden. Die derzeitigen technischen Methoden benutzen die Isomerisierung von Glucose zu Fructose mittels mikrobiologisch zugänglicher Glucose-isomerase.
Wegen der Kosten für Glucose-isomerase ist es von großer Bedeutung, die Isomerase unter Bedingungen einzusetzen, unter denen höchstmögliche Ausbeuten an Fructose bei Verwendung minimaler Mengen Glucose-isomerase erzeugt werden. Außerdem sollten die Bedingungen zur Isomerisierung derart sein, daß nur minimale Mengen an störenden Nebenprodukten erzeugt werden.
In den letzten Jahren sind wirtschaftlichere Methoden zur Herstellung von Fructose enthaltenden Lösungen entwickelt worden, die Glucose-isomerase, gebunden oder immobilisiert auf inerten Trägermaterialien, verwenden. Hierzu zählen u. a. derivatisierte Cellulose, Ionenaustauscherharze und synthetische Fasern, Glas, unlösliche organische und anorganische Verbindungen. Glucose-isomerase ist auch in geeigneten Materialien verkapselt oder in Tröpfchen eingeschlossen worden, aber solche Präparationen leiden allgemein unter dem Nachteil, daß sie generell nicht wiederverwendbar sind.
Cellulose tritt in der Natur als lineares Polymer auf, das aus miteinander durch β-1,4-glukosidische Bindungen verknüpften Anhydroglucose-Einheiten besteht. Jede Anhydroglucose- Einheit enthält drei freie Hydroxylgruppen, die zur Umsetzung mit geeigneten Reagenzien unter Bildung unlöslicher Cellulosederivate fähig sind, die wegen ihrer relativen Inertheit, ihrer großen wirksamen Oberfläche und offenen, porösen Struktur eine hohe Adsorptions- oder Ionenaustauscherkapazität für Proteinmoleküle haben.
Herstellung und Anwendung von Ionenaustauscher-Enzymadsorbentien, abgeleitet von Cellulose, sind aus der Technik bekannt. Peterson und Sober, JACS 78, 751 (1956) und Guthrie und Bullock, I/EC 52, 935 (1960) beschrieben Methoden zur Herstellung adsorptiver Celluloseprodukte, die zur Trennung oder Reinigung von Enzymen und anderen Produkten verwendet werden können. Tsumura et al., Nippon Shokuhin Kogyo Gakkaishi 14 (12), [1967], beschreiben die Bindung von Glucose-isomerase an DEAE-Sephadex® (dreidimensionales vernetztes Polysaccharid).
Die US-PS 37 08 397 betrifft ein Verfahren zur Immobilisierung von Glucose-isomerase auf basischen Anionenaustauscher-Cellulosen. Die US-PS 38 23 133 betrifft eine Methode zur Herstellung kationischer Celluloseäther mit hoher Adsorptionskapazität für Enzym- und andere proteinhaltige Materialien. In der US-PS 38 38 007 wird ein Verfahren geoffenbart, wonach eine Enzympräparation in kleinteiliger Form erhalten wird. Die US-PS 37 88 945 und 39 09 354 beschreiben kontinuierliche Verfahren zur Überführung von Glucose in Fructose, indem eine Glucose enthaltende Lösung durch Fest- oder Fließbettsysteme geleitet wird, die an Celluloseprodukte gebundene Glucose-isomerase enthalten. Beim Verfahren der US-PS 39 09 354 wird die Glucose-haltige Lösung mit Glucose- isomerase kontaktiert, die entweder an Cellulose mit Anionenaustauschereigenschaften, wie DEAE-Cellulose, oder an ein Anionenaustauscherharz gebunden ist. Die US-PS 39 47 325 betrifft die Herstellung von Cellulose, die eingeschlossenes enzymatisches Material enthält. Die Cellulose wird aus einer Emulsion gebildet, die aus einer wäßrigen Enzymlösung und Nitrocellulose besteht. Die US-PS 39 56 065 bezieht sich auf ein kontinuierliches Verfahren zur enzymatischen Umwandlung von Glucose in Fructose, bei dem eine Glucose enthaltende Lösung ein Bett aus DEAE-Cellulose mit daran immobilisierter Glucose-isomerase und aus nichtporösen Polystyrolperlen geleitet wird. Diese Perlen verhindern das Zusammenballen und die Kanalbildung des Bettes, wenn dieses in Fließbettreaktoren verwendet wird. Peska et al. beschreiben in dem Aufsatz "Ion Exchange Derivates of Bead Cellulose" in Angewandte Makromolekulare Chemie 53, S. 73-80 (1976), mehrere derivatisierte, in Perlenform hergestellte Cellulosen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine agglomerierte faserartige Ionenaustauscher-Cellulose-Präparation bereitzustellen, die eingebettet in einem hydrophoben Polymerisat mit einem verhältnismäßig großen Anteil geladene Makromoleküle adsorbieren und immobilisieren kann. Darüber hinaus wird eine solche Präparation mit erhöhter Porosität angestrebt, wenn sie als immobilisierter Enzymträger dient.
Hierzu schlägt die Erfindung die agglomerierte faserartige Ionenaustauscher-Cellulose-Zusammensetzung nach Anspruch 1 mit bevorzugten Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 2 bis 7 vor. Weiterer Erfindungsgegenstand ist das Verfahren zu ihrer Herstellung nach Anspruch 8 und Anspruch 9.
Erfindungsgemäß wird eine agglomerierte faserartige Ionenaustauscher- Cellulose-Zusammensetzung bereitgestellt, bei der Cellulose mit Ionenaustauscher-Eigenschaften in einem hydrophoben Polymerisat eingebettet ist und verhältnismäßig große Anteile der Cellulose zur Verfügung stehen, um geladene Makromoleküle zu adsorbieren. Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung dieser agglomerierten faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose-Zusammensetzung vorgeschlagen, bei dem man faserartige Ionenaustauscher-Cellulose in einem hydrophoben Polymerisat eingebettet durch (A) Lösen des hydrophoben Polymerisats in einem organischen Lösungsmittel, Mischen der faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose mit der Lösung des hydrophoben Polymerisats und Entfernen des Lösungsmittels aus diesem Gemisch, oder durch (B) Erhitzen des hydrophoben Polymerisats bis zu einem plastischen Zustand und Einmischen der faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose.
Obwohl ein bevorzugter Aspekt der Erfindung die Verwendung agglomerierter faserartiger Ionenaustauscher-Cellulose zur Adsorption und Immobilisierung von Glucose-isomerase betrifft, besitzt das agglomerierte Material auch die Fähigkeit zur Adsorption von Proteinen, Nucleinsäuren und dergleichen. Sie kann auch verwendet werden zur Rückgewinnung dieser Moleküle aus Nahrungsabfallströmen, z. B. zur Rückgewinnung von Protein aus Molke, aus Fleischverarbeitungsströmen und Verarbeitungsströmen pflanzlicher Produkte, wenn die Herabsetzung des BOD aus Abfallströmen von Interesse ist.
Die faserartige Ionenaustauscher-Cellulose weist eine außerordentlich hohe Beladekapazität bezüglich der Bindung oder Immobilisierung von Enzymen, insbesondere von Glucose-isomerase auf. Im allgemeinen können die faserartigen Cellulosematerialien, die sich bei der praktischen Ausführung der Erfindung am geeignetsten erwiesen haben, als Anionenaustauscher-Cellulosen charakterisiert werden. Beispiele für solche Materialien sind die Di- und Triethylaminoethylcellulosen, wie DEAE-Cellulose und TEAE-Cellulose, und die Cellulosederivate des Epichlorhydrins und Triethanolamins, wie ECTEOLA-Cellulose.
Der Begriff "faserartig" bezieht sich auf Cellulose, die aus natürlichen Quellen stammt und durch mechanische oder chemische Maßnahmen zerteilt oder zerfasert wurde. Diese Cellulose oder deren Derivate wurden keinen chemischen Behandlungen unterworfen, die zur Auflösung der natürlichen Faserstruktur der Cellulose führen.
Wegen der hohen Beladungskapazität der erfindungsgemäßen faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose-Präparation, die Glucose- isomerase enthält, sind bei industriellen Anwendungen nur verhältnismäßig kleine Reaktoren notwendig, um bereits große Mengen Glucose in Fructose zu überführen.
Wegen der hohen Beladungskapazität brauchen Substrat und das erhaltene Produkt nur für eine kurze Zeit unter Isomerisierungsbedingungen gehalten werden. Diese Isomerisierungsbedingungen führen im allgemeinen nur zu geringen Mengen an durch die reaktive Natur der Fructose bedingten unerwünschten Nebenprodukten. Somit führt die hohe Beladungskapazität der erfindungsgemäßen faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose dazu, daß das Substrat in kurzer Zeit bis zu dem gewünschten Grad isomerisiert wird, wodurch die Fructosekomponente nur eine kurze Zeitspanne unter Isomerisierungsbedingungen gehalten wird.
Die faserartige Ionenaustauscher-Cellulose enthaltenden Präparationen haben den Nachteil des "Verdichtens" und werden daher gewöhnlich in Kugelschalenform verwendet, um Probleme wegen des übermäßigen Gegendrucks zu vermeiden. Selbst bei Kugelschalen besteht die Möglichkeit, daß eine Kanalbildung auftritt, wodurch das Substrat nicht im gewünschten Ausmaß mit der gebundenen oder immobilisierten Glucose-isomerase in Kontakt tritt.
Obwohl bestimmte immobilisierte Glucose-isomerase-Präparationen zur Verminderung dieser Probleme entwickelt worden sind, leiden diese im allgemeinen an anderen Nachteilen, z. B. ist ihre Kapazität oder Glucose-isomerase-Aktivität pro Volumeneinheit nicht so hoch wie gewünscht und/oder sie sind nicht so wirtschaftlich wie faserartige Cellulose.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß bei Agglomerierung der faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose mit einem hydrophoben Polymerisat die Kapazität zur Immobilisierung oder Bindung von Glucose-isomerase beibehalten bleibt.
Eine Reihe von Polymerisaten kann zur Agglomerierung der faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose verwendet werden. Beispiele hierfür sind Melamin-Formaldehyd-Harze, Epoxyharze und Polystyrol. Bevorzugt ist Polystyrol.
Die agglomerierten faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose- Materialien der Erfindung können zudem regeneriert werden. Wenn die Aktivität der immobilisierenden Glucose-isomerase infolge Denaturierung oder anderer Faktoren, die aus längerem Gebrauch resultieren, auf einen bestimmten Betrag absinkt, kann eine Lösung von in Lösung gebrachter Glucose-isomerase mit dem Bett oder der Säule der agglomerierten Cellulose in Kontakt gebracht werden, so daß die Glucose-isomerase-Aktivität wieder auf den gewünschten Betrag erhöht wird. Vor einer Regenerierung sollte man jedoch im allgemeinen das Material mit einer Alkalilösung behandeln, um die Ionenaustauschstellen der faserartigen Cellulose schneller für die Isomerase-Adsorption verfügbar zu machen.
Offenbar werden Substratreste, denaturierte Isomerase und andere proteinhaltige Materialien, die an der faserartigen Cellulose sitzen, entfernt bzw. löslich gemacht.
Die agglomerierten faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose- Zusammensetzungen leiden nicht unter den ernsten Packungsproblemen und können daher in tiefen Bettreaktoren ohne Schwierigkeiten eingesetzt werden. Außerdem ist das Problem der Kanalführung des Substrats auf ein Minimum reduziert.
Je nach dem spezifischen Gewicht des Substrats kann die agglomerierte faserartige Ionenaustauscher-Cellulose-Zusammensetzung auf diesem schwimmen; daher besteht die Möglichkeit, daß ein gewisser Materialverlust über das Eintritts- oder Austrittsteil von Reaktoren des Säulentyps eintreten kann. Ferner könnten Probleme auftreten, wenn die Säule anfangs mit dem Material bepackt wird. Daher wird es in bestimmten Fällen zusätzlich bevorzugt, der agglomerierten faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose-Zusammensetzung ein Verdichtungsmittel zu inkorporieren, um dessen Dichte zu erhöhen.
Verdichtungsmittel müssen in bezug auf das Substrat inert sein und dürfen auch nicht die Glucose-isomerase inaktivieren. Verdichtungsmittel wie pulverisierte Metalloxide oder Silikate sind verwendbar.
Bei Herstellung der agglomerierten faserartigen Ionenaustauscher- Cellulose-Zusammensetzung muß die faserartige Cellulose in dem hydrophoben Polymerisat in solcher Weise eingebettet werden, daß die Cellulose in dem Polymerisat nicht vollständig eingekapselt oder eingebunden wird. Andernfalls würde die Kapazität der faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose zur Adsorption von Enzymen wesentlich und nachteilig beeinträchtigt werden. Je größer die freie Oberfläche der Cellulose ist, um so größer ist die Adsorptionskapazität des Materials.
Eine Reihe von Methoden kann zur Einbettung der faserartigen Cellulose in dem hydrophoben Polymerisat angewendet werden; zwei besonders geeignete Verfahren bestehen darin, daß man das hydrophobe Polymerisat löst und die anderen Materialien darin inkorportiert oder daß man das Polymerisat bis zu einem plastischen Zustand erhitzt und die anderen Materialien darin inkorporiert. Die letztere Prozedur wird bevorzugt, da keine Lösungsmittelverdampfung notwendig ist. Das erhaltene Material kann dann z. B. durch Mahlen zerkleinert und die Körner können auf geeignete Siebgrößen klassiert werden.
Die Teilchengrößenverteilung der Körner kann innerhalb etwas weiterer Grenzen variieren. Befriedigende Ergebnisse sind bei Verwendung von Körnern erreicht worden, die durch ein Sieb von 0,84 mm hindurchgehen und auf einem Sieb von 0,30 mm zurückgehalten werden.
Beispiel 1
Dieses Beispiel erläutert die Herstellung eines DEAE-Cellulose- Agglomerats, in dem kein Verdichtungsmittel zugegeben ist, sowie die Anwendung des Agglomerats in einem kontinuierlichen Verfahren zur Isomerisierung von Glucose zu Fructose.
20 g DEAE-Cellulose (das Cellulosederivat in diesem und im folgenden Beispiel wurde nach der Methode der US-PS 38 23 133 hergestellt) mit einer Ionenaustauscherkapazität von 0,8 mäqui. pro g und 40 g gemahlenes Polystyrol wurden unter Rühren zu 60 ml Methylenchlorid bei Umgebungstemperatur unter Bildung einer viskosen homogenen Aufschlämmung gesetzt. Die Aufschlämmung wurde auf einer Schale ausgebreitet, die etwa 18 Stunden in einen Abzug gestellt wurde, bis das Methylenchlorid verdampft war. Das brüchige getrocknete Agglomerat wurde gemahlen und durch ein Sieb von 0,84 mm gesiebt. Feinteilchen, die 0,42 mm passierten, wurden verworfen.
36,8 g der Agglomeratkörner wurden in 60 ml einer Lösung mit gelöster Glucose-isomerase aufgeschlämmt, die 24 IGIU/ml enthielt, und die Aufschlämmung 80 min bei Umgebungstemperatur und einem pH von 7 gerührt, wonach die Aufschlämmung filtriert wurde. Die Körner adsorbierten 338 IGIU/g, Trockenbasis. 40 g der nassen Glucose-isomerase-DEAE-Cellulose-Agglomeratpräparation, die 8795 IGIU enthielten, wurden in einer 50gew.-%igen Dextroselösung aufgeschlämmt, die 0,005 molar an MgSO₄ und 0,005 molar an NaHSO₃ war. Der pH der Lösung betrug bei 25°C 7,8. Die Körner mit der daran immobilisierten Glucose-isomerase wurden in eine ummantelte Glassäule von 1,5 cm Durchmesser bis zu einer Höhe von 47,7 cm gefüllt. Während die Temperatur des Systems bei 65°C gehalten wurde, wurde eine 50gew.-%ige Glucoselösung einer Viskosität von etwa 3 mPa · s kontinuierlich durch das Bett der Körner mit einer Fließgeschwindigkeit von 1,8 ml pro min geschickt. Die isomerisierte Lösung enthielt 47% Fructose.
Der Druckabfallkoeffizient (K) der Säule wurde zu Beginn zu 0,19 g min cm-1 ml-1 mPa · s-1 bestimmt. Nach 597 Stunden kontinuierlichem Gebrauch war der Druckabfallkoeffizient 0,25 g min cm-1 ml-1 mPa · s-1. Da der Druckabfallkoeffizient nichtbehandelter faserartiger DEAE-Cellulose 20 g min cm-1 ml-1 mPa · s-1 war, wurde durch die Erfindung eine annähernd 100fache Verminderung des Druckabfallkoeffizienten erreicht. Der Druckabfallkoeffizient ist wie folgt definiert:
wobei
K = Druckabfallkoeffizient (g min cm-1 ml-1 mPa · s-1)
Δp = Druckabfall über der Säule (g/cm²)
µ = Viskosität des Substrats (mPa · s)
V = Fließgeschwindigkeit durch die Säule pro cm² Bettflächenquerschnitt (ml/min/cm²)
L = Enzym-Bettiefe (cm)
Beispiel 2
Dieses Beispiel erläutert die Herstellung einer DEAE-Cellulose- Polystyrol-Aluminiumoxid-Zusammensetzung, die durch Erhitzen des Polymerisats bis zu einem plastischen Zustand hergestellt wurde.
Die folgenden Materialien wurden zur Bildung des Materials eingesetzt:
265 g hochschlagzähes Polystyrol
4,5 g Aluminiumstearat (als Gleitmittel verwendet)
115 g faserartige DEAE-Cellulose, hergestellt durch Dervatisierung von chemischer Cellulose mit Diethylamino- ethylchlorid-hydrochlorid. Die Ionenaustauschkapazität der DEAE-Cellulose war annähernd 0,9 mäqu · g-1
120 g Aluminiumoxid 10 µm.
Das Polystyrol wurde bis zu einem plastischen Zustand erhitzt und die vorerwähnten Bestandteile eingemischt. Das Gemisch wurde zwischen den Rollen einer beheizten Zweiwalzen- Mühle verarbeitet. Die Rollen waren 30,48 cm lang und hatten einen Durchmesser von 15,24 cm; eine (1) Rolle wurde auf etwa 180°C geheizt.
Das schichtförmige Material wurde gekühlt, gebrochen, in einem Mahlwerk gemahlen und gesiebt, um ein Material mit Körnern von 0,3 bis 0,6 mm zu erhalten. Die Feinanteile wurden verworfen.
12 g Körner wurden zu 196 ml einer Lösung von Glucose-isomerase gegeben, die etwa 20 IGIU ml-1 enthielt und auf ein pH von 7,2 gepuffert war. Die Suspension wurde 7 Stunden bei 25°C gerührt. Die Körner wurden durch Filtration abgetrennt, gewaschen und das Filtrat auf Glucose-isomerase-Aktivität analysiert. Die Körner adsorbierten aus der Lösung 330 IGIU g-1.
3,24 g des immobilisierten kornförmigen Enzyms wurden in eine ummantelte Glassäule von 2,54 cm Durchmesser gegeben, die bei 65°C gehalten wurde; eine 50%ige Dextroselösung wurde durch das Bett der Körner kontinuierlich mit einer Fließgeschwindigkeit von 0,52 ml/min geschickt. Die isomerisierte Lösung enthielt 33,1% Fructose.
Der Druckabfallkoeffizient (K) des kornförmigen immobilisierten Enzyms wurde für den Säulenbetrieb auf folgende Weise bestimmt. Etwa 185 g (Trockenbasis) der Enzymkörper wurden in eine Säule aus nichtrostendem Stahl von 5 cm Durchmesser bis zu einer Höhe von 22,9 cm gefüllt. Die Säule wurde bei einer Temperatur von 50°C gehalten. Ein 42% Fructose und 50% Dextrose enthaltender Sirup mit 70% Gelöstem, pH 7,8 und 50°C, wurde durch die Säule bei Drucken von etwa 39, 69, 172,5 und 413,8 kPa jeweils 2 Stunden je Druckwert geschickt. Fließgeschwindigkeit und Druckabfall wurden in 30- bis 40-Minutenintervallen aufgezeichnet.
Der Druckabfallkoeffizient der bepackten Säule wurde zu 0,23 g min cm-1 ml-1 mPa · s-1 bei 39 kPa und 0,35 g min cm-1 ml-1 mPa · s-1 bei 413,8 kPa nach zweistündiger Laufzeit je Versuchsdruck bestimmt.

Claims (9)

1. Agglomerierte faserartige Ionenaustauscher-Cellulose- Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Cellulose mit Ionenaustauscher-Eigenschaften in einem hydrophoben Polymerisat eingebettet ist und verhältnismäßig große Anteile der Cellulose zur Adsorption geladener Makromoleküle zur Verfügung stehen.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine faserartige Cellulose mit Anionenaustauschereigenschaften in einem hydrophoben Polymerisat eingebettet ist.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Glucose-isomerase an der faserartigen Anionenaustauscher- Cellulose adsorbiert ist.
4. Zusammensetzung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anionenaustauscher-Cellulose DEAE-Cellulose ist.
5. Zusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophobe Polymerisat Polystyrol ist.
6. Zusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Verdichtungsmittel enthält.
7. Zusammensetzung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsmittel ein pulverisiertes Metalloxid oder Silikat oder Gemisch derselben ist.
8. Verfahren zur Herstellung der agglomerierten faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose-Zusammensetzung nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch
  • (A) Lösen des hydrophoben Polymerisats in einem organischen Lösungsmittel, Mischen der faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose mit der Lösung des hydrophoben Polymerisats und Entfernen des Lösungsmittels aus diesem Gemisch; oder
  • (B) Erhitzen des hydrophoben Polymerisats bis zu einem plastischen Zustand und Einmischen der faserartigen Ionenaustauscher-Cellulose.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man für das hydrophobe Polymerisat Polystyrol verwendet.
DE19782815908 1977-04-19 1978-04-10 Agglomerierte faserartige cellulose Granted DE2815908A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US05/788,728 US4110164A (en) 1977-04-19 1977-04-19 Agglomerated fibrous cellulose

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Publication Number Publication Date
DE2815908A1 DE2815908A1 (de) 1978-10-26
DE2815908C2 true DE2815908C2 (de) 1992-04-23

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DE19782815908 Granted DE2815908A1 (de) 1977-04-19 1978-04-10 Agglomerierte faserartige cellulose

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