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"Behälter zum Verpacken von leichtverderblichen Gütern"
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Die Erfindung betrifft einen Behälter nach Oberbegriff des Anspruches
1.
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Es sind intensive Arbeiten ausgeführt worden, um verschiedene Methoden
und Materialien zu entwickeln, welche zur Verhinderung des Verderbs von leichtverderblichen
Lebensmitteln dienen können.
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Leichtverderbliche Lebensmittel sind z.B. Fruchtsäfte, Bier, kohlendioxidfreie
Getränke und dgl. Diese können einer Zersetzung durch Mikroorganismen unterworfen
werden, z.B. Schimmelpilzen und Hefepilzen. Hier erfolgt eine Sterilisation durch
eine Hitzebehandlung nach Verpackung, um die Mikroorganismen zu zerstören. Die Hitzesterilisation
besteht in einer Erhitzung des verpackten Materials auf eine Temperatur im Bereich
von etwa 60 bis 820C, um jeden Organismus in dem Material zu zerstören. Eine Hit
ze sterilisation erfordert eine
wesentliche Investition an teuren
Einrichtungen. Es sind nämlich eine relativ große Erhitzungszone notwendig und entsprechend
große Heizeinrichtungen und Fördereinrichtungen, um die Behälter automatisch durch
die Heizzone zu führen.
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Verpackte Lebensmittel sind selbst nach der Sterilisation noch der
Zersetzung unterworfen, da sie entscheidend durch die Gegenwart von Sauerstoff innerhalb
der Verpackung oder des Behälters beeinflußt werden können. Im Verpackungsprozeß
kann zwar eine inerte Atmosphäre verwendet werden, Jedoch führen bereits Spuren
an Sauerstoff, die in den Behälter z.B. mit den Lebensmitteln oder anderen Produkten
während des Verpackungsprozesses eingeführt werden, während und nach dem endgültigen
Abdichten des Behälters zu einer Zerstörung des verpackten Materials.
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Es ist daher auch im Hinblick auf den hohen Lebensmittelbedarf in
der Welt wünschenswert, Verpackungsmaterialien von geringen Kosten zur Verfügung
zu stellen, welche effektive Wirkungen zur Verringerung des durch Mikroorganismen
und Sauerstoff verursachten Verderbs von leichtverderblichen Lebensmitteln zeigen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein solches Verpackungsmaterial zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches
1 gelöst.
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Die Uberzugsmasse kann auf die Innenfläche jeder Art von Behälter
gebracht werden. Die Uberzugsmasse besteht aus einem polymeren Material, das sich
wiederholende funktionelle Gruppen aus Carbonyl, Carboxyl, Anhydrid, Epoxy und Isocyanat-Gruppen
entlang der Molekularkette umfaßt. Die biologisch aktiven Enzyme sind kovalent angekuppelt
und durch funktionelle Gruppen an dem Enzym festgelegt. Bei diesen funktionellen
Gruppen handelt es sich um nichtessentielle Gruppen im Hinblick auf die katalytische
Aktivität der Enzyme.
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Biologisch aktive Enzyme sind ausgezeichnete Katalysatoren und besonders
nützlich in der Hydrolyse von komplexen Kohlehydratzellwänden. Sie haben außerdem
besonders nützliche Eigenschaften, um einen Desoxidierungsvorgang durchzuführen.
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Die kovalent festgelegten Enzyme bieten eine enzymatisch aktive Oberfläche
innerhalb des Behälterinneren. Die festgelegten Enzyme behalten einen relativ hohen
Anteil ihrer ursprünglichen Aktivität selbst nach Bedingungen einer verlängerten
Vorratshaltung.
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Durch Festlegen an der Innenwand von Behältern sind die Enzyme geeignet,
die Zellwände von Mikroorganismen zu zersetzen oder aktive chemische Reaktionen
unter Verbrauch von Sauerstoff auszulösen und somit an Ort und Stelle das verpackte
Lebensmittel zu sterilisieren bzw. Sauerstoffanteile aus dem Lebensmittelprodukt
zu entfernen.
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So können spezielle Enzyme, z.B. Endo-Laminarinase, Lysozyme, Phosphomannanase
und Muramidase, welche Zellwände von Mikroorganismen, wie Hefe oder Bakterien, auffressen,
auf der Innenfläche eines Behälters festgelegt werden, indem ein Lebensmittel, z.B.
nicht pasteurisiertes Bier, verpackt werden kann. Nach Berührung des Biers mit den
festgelegten Enzymen erfolgt eine Zerstörung der Mikroorganismen durch die Enzyme
und somit eine Sterilisation des Bieres innerhalb des Behälters ohne die Anwendung
von Hitze. Damit vermeidet man den gegenwärtig notwendigen Pasteurisierungs- oder
Sterilisierungsschritt in Brauereien. Durch entsprechende Auswahl der spezifischen
Enzyme ist es möglich, nur die Zellwände der schädlichen Mikroorganismen zu zerstören
und nicht die Bestandteile des Biers. Die teilweise zerstörten Produkte von Hefe
und Bakterien im Bier, die der Wirkung der Enzyme zum Opfer fallen, sind ähnlich
denen von Hefe und Bakterien, die im Bier durch übliche Hftzepasturisierung getötet
werden. Da die Gesamtmenge von Hefe und Bakterien in Bier sehr klein ist, spielt
die Gegenwart von teilweise zersetzten Mikroorganismen in dem Produkt keine tatsächliche
Rolle in bezug auf die Qualität des Biers. Das Vorhandensein der zersetzten Mikroorganismen
wird vom Verbaucher nicht bemerkt. In der gleichen Weise führt die Festlegung von
Enzymen, z.B. Glukoseoxidate und Katalase, auf der überzogenen Innenseite der Behälterwand
aufgrund der enzymatischen Aktivität zu einem Verbrauch von Sauerstoff aus den Umgebungsbedingungen,
wodurch Sauerstoff aus dem Behälter von seinem Inhalt eliminiert wird. Dadurch wird
die Lagerzeit der verpackten Produkte wesentlich verlängert, welche ansonsten A
A A A - -entscheidend
durch die Gegenwart von Sauerstoff beeinträchtigt
wird.
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Für die vorliegende Erfindung sind die nützlichen Enzymekomplexe Polypetide
mit einer Aminofunktionalität in der molekularen Struktur. Sie umfassen hydrolytische
Enzyme und Redox-Enzyme.
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Hydrolytische Enzyme umfassen proteolytische Enzyme, welche Proteine
hydrolisieren, z.B. Papain, Fein, Pepsin, Trypsin, Chymotrypsin, Bromelin; Carbohydrasen,
welche Kohlenhydrate hydrolisieren, z.B. Zellulase, Amylase, Maltase, Pektinase,
Chitanase; ferner Esterasen, welche Ester hydrolisieren, z.B.
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Lipase, Cholinesterase, Lecithinase, alkalische und saure Phosphateasen;
sowie Nukleasen, welche Nukleinsäuren hydrolysieren, z.B. Ribonuklease, Desoxyribonuklease;
sowie Amidasen, welche Amine hydrolisieren, z.B. Arginase, Asparaginase, Glutaminase,
Histidase und Urease.
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Redox-Enzyme katalisieren Oxidations- oder Reduktionsreaktionen.
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Diese umfassen Glukoseoxidase, Xanthinoxidase, Katalase, Peroxidase,
Lipoxidase und Zytochromreduktase.
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Es sollte bemerkt werden, daß das Enzym allein oder in Kombination
mit anderen Enzymen im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann.
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Beider praktischen Durchführung der Erfindung ist die Zusammensetzung
des
Uberzugsmaterials, darauf die Behälterflächen aufgebracht wird, nicht in besonderem
Maße kritisch, solange es sich um ein inertes Material handelt, an der Innenwand
des Behälters haftet und ausreichend funktionelle Bindungsgruppen für die Festlegung
der Enzyme darbietet.
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Kovalente Bindung der Enzyme an die funktionellen Gruppen, die bei
dem polymeren Uberzugsmaterial vorliegen, wird durch funktionelle Gruppen der Enzyme
erreicht, die für ihre enzymatische Aktivität nicht wesentlich sind. Beispiele für
solche nicht wesentlichen funktionellen Gruppen sind freie Amino- und Carboxylgruppen,
Hydroxylgruppen, phenolische Gruppen, Imidazongruppen und Sulfhydrylgruppen.
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Polymere Materialien, die besonders für Uberzüge in der Praxis der
Erfindung geeignet sind, sind Polymere mit sich wiederholenden funktionellen Gruppen,
durch die die Enzyme kovalent an der Uberzugsfläche angeheftet werden können. Die
Uberzugsmaterialien enthalten wünschenswert etwa 1 bis 30 Gew.% der die funktionellen
Gruppen tragenden Monomere, basierend auf dem Gewicht des Polymers.
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Vorteilhafterweise ist das die funktionelle Gruppe enthaltende Polymer
ein copolymeres Material, das unter Verwendung von Carbonyl enthaltenden Monomeren
vorbereitet wird. Hierzu gehören beispielsweise Methylvinylketone, Acrolein, Acrylylchlorid
und Phenylvinylketon.
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Besonders nützlich ist ein Carbonyl enthaltendes Monomer, das als
Reaktion aus 5-Hydroxypentanal und Acryloylchlorid bereitet wird. Das Monomer hat
die Formel: H2C = CH-C-O-CH2(CH3)2CHO.
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Andere funktionelle Gruppen enthaltendPolymere sind Copolymere aus
Monomeren, welche Carboxylgruppen, wie Acrylsäure, Metacrylsäure und Itaconsäure
enthalten,sowie Anhydrid enthaltende Monomere, wie Maleinanhydrid und Itaconsäureanhydrid,
ferner Epoxyd enthaltende Monomere, wie Glyzidylacrylat, Glyzidylmethacrylat und
Glyzidylalyläther, ferner Isocyanat enthaltende Monomere, z.B.
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als Reaktionsprodukte von Toluoldiisocyanat mit Hydroxyläthylacrylat
und Hexamethylendiisocyanat und Hydroxyläthylacrylat.
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Der Rest des Copolymers besteht im allgemeinen aus einem oder mehreren
Monomeren, welche sein können ein Alkylester aus einerAlpha, BedrAthylen ungesättigte
Carboxylsäure, z.B. ein Alkylacrylat oder ein Alkylmethacrylat, oder welche aus
einem vinylaromatischen Kohlenwasserstoff besteht. Vorzugsweise ist wenigstens ein
Alkylacrylat oder Methacrylat im Copolymer gegenwärtig. Alkylacrylate und Methacrylate
werden für gewöhnlich zur Vorbereitung der Uberzugsmasse verwendet und umfassen
Diäthyl-, Methyl-, Propyl-, Butyl-, Hexyl-, Athylhexyl- und Laurylacrylate und -methacrylate.
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Es können auch ähnliche Ester mit bis zu 20 Kohlenstoffatomm in der
Alkylgruppe vorhanden sein. Der vinylaromatische Kohlenwasserstoff ist, falls ein
solcher verwendet wird, für gewöhnlich Styrol, ein Alpha-Alkylstyrol oder Vinyltoluol.
Vorzugsweise
enthält die copolymere Uberzugsmasse etwa 1 bis 30
Gew.% des die funktionelle Gruppe enthaltenden Monomers, etwa 10 bis 70 Gew.% des
Alkylacrylats und 0 bis etwa 30 Gew.% des vinylaromatischen Kohlenwasserstoffes.
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Die Copolymere werden aus den obigen Monomeren hergestellt unter Verwendung
üblicher Bedingungen und Katalysatoren, wie sie bei der Herstellung von Acrylaten
und Methacrylatpolymeren verwendet werden. So ist beispielsweise der Katalysator
für gewöhnlich ein Katalysator mit freien Radikalen, z.B. Kumolhydroperoxid, Benzoylperoxid,
Ammoniumpersulfat, Azo-bis-isobutyronitril oder dgl. Die Polymerisationstemperatur
ist allgemein zwischen etwa 650C und 14o0c. Das zur Herstellung dieser Copolymere
verwendete Lösungsmittel umfaßt aromatische Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ester,
Ketone und ähnliche Stoffe.
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Die Uberzugsmassen können auf Behälter mit unterschiedlichen Unterlagen
einschl. Stahl Aluminium, Glas oder ebenso gut auf thermoplastische Polymerunterlagen,
z.B. Acrylonitrilpolymere und Polyäthylenterephthalat aufgebracht werden. Die Uberzugsmasse
kann auf die Innenwände der Behälter auf verschiedenem Wege aufgebracht werden,
z.B. durch Tauchen, Sprühen, Rollüberziehen oder Bürsten. Das Aufbringungsverfahren
bestimmt für gewöhnlich die Wahl für das Lösungsmittel. So können mehr flüchtige
Lösungsmittel verwendet werden, z.B. Methyläthylketon, wenn das Material aufgesprüht
werden soll. Xylol oder andere höherkochende Lösungsmittel werden bei Massen verwendet,
die
durch Rollbeschichten aufgebracht werden.
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Die Uberzugsmasse kann bei einer Feststoffkonzentration von etwa 5
bis etwa 50 Gew.% in einer Dicke so gering bis zu 1 bis 5 mg pro Fläche von 2,5
cm Kantenlänge und vorzugsweise von 3 bis 7 mg pro Fläche von 2,5 cm Kantenlänge
aufgebracht werden.
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Nach der Aufbringung werden die Uberzüge durch Anwendung von Hitze
ausgehärtet. Ein bequemes Aushärteschema besteht in einer Aushärtung von 5 bis 10
Minuten bei etwa 1630C. Höhere Temperaturen erfordern kürzere Zeiten und niedrigere
Temperaturen längere Aushärtezeiten. Wenn erforderlich, kann ein Aushärtemittel,
z.B. ein Epoxyharz oder eine Diaminmasse in die Uberzugsmasse eingebracht werden.
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Die Enzyme sind kovalent an die funktionellen Gruppen der Uberzugsmasse
durch Dispergierung der Enzyme in einem wässerigen Mittel bei einer Konzentration
von etwa 0,5 bis 10 Gew.% und anschließendem Anbringen der Enzymdispersion auf die
mit dem Uberzug versehene Behälterfläche in der gleichen Weise angehefet,wie der
Uberzug aufgebracht wird, z.B. durch Tauchen. Wesentlich ist, daß die Enzyme in
Kontakt mit der überzogenen Oberfläche gebracht werden. Nach Anbringung der Enzymdispersion
kann man die Dispersion in Kontakt mit der überzogenen Fläche für die Dauer von
5 bis 60 Minuten belassen, um zu ermöglichen, daß die funktionellen Gruppen im Polymer
mit
den Aminen oder anderen nicht wesentlichen funktionellen Gruppen der Enzyme reagieren.
Danach wird die überzogene Fläche gewaschen, um nicht gebundene oder nicht reagierte
Enzyme zu entfernen. Danach kann die Oberfläche getrocknet werden.
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Bei der Verwendung von Enzymen, z.B. von Endo-Laminarinase, Phosphomannanase,
Glucoseoxydase, Katalyse oder dgl. liegt ein optimaler pH-Wert vor, bei dem das
Ankuppeln der Enzyme an die funktionellen Gruppen des Uberzuges auftritt. Der pH-Wert
liegt vorteilhafterweise zwischen 6,0 und 8,0. Die Enzymdispersion sollte so eingestellt
werden, daß sie diesem pH-Wert entspricht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
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Beispiel I: Ein Terpolymer aus Styrol, Athylhexylacrylat und einem
Carbonyl enthaltenden Monomer, der das Reaktionsprodukt aus 5-Hydroxypentanal und
Acryloylchlorid bildete, wurde vorbereitet, um den Uberzugsträger zur Aufbringung
auf den Behälter zu bilden.
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A. Vorbereitung des Carbonyl enthaltenden Monomers Die folgenden
Reagenzien wurden in einen t 1 fassenden mit rundem Boden und drei Halseinschnürungen
versehenen Glaskolben mit mechanischem Rührwerk eingefüllt:
Komponente
Gramm 5-Hydroxypentanal 100 Acryloylchlorid 91 Na2CO3 210 Benzol 200 ml.
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Nach dem Rühren reagierten die Reaktionsbestandteile bei Raumtemperatur
mit Aufwallen. Das Reaktionsprodukt wurde in einen Scheidetrichter gefüllt und mit
einer Na2CO3-Lösung gewaschen. Das Reaktionsprodukt wurde dann gefiltert und anschließend
bei einer Temperatur von 550 bis 600C bei 0,75 mm Hg destilliert.
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B. Vorbereitung des Terpolymers Ein Reaktionsgefäß, das mit einem
Rührer, einem Rückflußkühler, einem Tropftrichter und einem Stickstoffeinlaßrohr
ausgerüstet war, wurde mit folgenden Reaktionsbestandteilen gefüllt: Reaktionsbestandteil
Gramm Carbonylmonomer 23,5 (vorbereitet unter A) Styrol 50,0 Athylbenzylacrylat
26,5 Azobisisobutyronitril 3,0 Benzol 150 ml.
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Das Benzol wurde in den Reaktionsbehälter eingebracht und die Temperatur
auf die Rückkühlungstemperatur des Lösungsmittels (80 bis 900C) erhöht. Es wurde
eine Stickstoffgasatmosphäre im Reaktionskessel während der Reaktion aufrechterhalten.
Die Reaktionsmischung wurde dem Kessel mit einer niedrigen Geschwindigkeit über
die Dauer von 1,5 bis 2 Stunden zugeführt.
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Nachdem alle Reaktionsbestandteile zugefügt waren, wurden die Rückkühlungsbedingungen
für weitere 2,5 Stunden aufrechterhalten.
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Das Reaktionsprodukt wurde dann gekühlt und dann mit Hexan niedergeschlagen,
erneut in Methyläthylketon gelöst, wiederum mit Hexan niedergeschlagen und dann
bei 300C in einem Vakuumofen getrocknet.
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Das getrocknete Produkt besaß ein Molekulargewicht von 25.000 und
hatte einen Carbonylmonomergehalt im Bereich von etwa 2 bis 2,5 Gew.%, bezogen auf
das gesamte Terpolymer.
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Das Reaktionsprodukt wurde in Methyläthylketon mit einer Feststoffkonzentration
von 20 Gew.% aufgelöst und auf die Innenfläche eines Glases mit 113 g Inhalt, wie
es für Kindernahrung oder Babynahrung verwendet wird, dadurch aufgebracht, indem
man innerhalb des Behälters die Lösung in Kontakt mit allen inneren Oberflächen
durch Schwappbewegungen brachte. Der nicht verwendete Rest wurde dann aus dem Behälter
ausgegossen. Der
feucht überzogene Behälter wurde dann bei 1600C
für die Dauer von 5 Minuten gebacken, um einen gehärteten Uberzug zu erhalten.
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Die überzogenen Behälter wurden dann mit einer 1%igen Lösung von Glucoseoxydase
in einem 0,02 Mol Phosphatpuffermittel bei einem pH-Wert von 7 gefüllt. Nach etwa
12 Stunden wurden die Enzymlösung aus dem Behälter entfernt und der Behälter mit
Wasser ausgewaschen. Der Behälter wurde dann zu einem Viertel mit einer Reaktionslösung
von 1% Glucose gefüllt. Die Glucoseoxydase überführte die Glucose durch Reaktion
mit Sauerstoff in Glyconat. Der Behälter wurde dann zum Abdichten des Inhaltes verschlossen.
Nach 12 Stunden wurde eine Gasprobe aus dem Kopfraum des Behälters durch Einsetzen
einer Injektionsnadel durch die Kappe entnommen. Die Gasprobe wurde dann einer Analyse
in einem Gaschromatograph unterworfen. Die Analyse zeigte, daß das Gasmuster etwa
1,2% Sauerstoff enthielt.
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Als Gegenversuch wurde das Verfahren nach Beispiel I wiederholt mit
der Ausnahme, daß die überzogenen Innenwände des Behälters nicht mit einer Enzymlösung
in Kontakt gebracht wurden.
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Eine gaschromatische Analyse des Gases im Dampfkopfraum des Behälters
zeigte einen Sauerstoffgehalt von 20,8%.
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Beispiel II: Das Verfahren nach Beispiel I wurde wiederholt mit der
Ausnahme, daß folgende Reaktionsbestandteile in das Reaktionsgefäß eingebracht wurden:
Reaktionsteil Gramm Styrol 100 Athylhexylacrylat 100 Maleinanhydrid 100 t-Butylperbenzoat
9 Toluol 150 ml.
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Die Reaktion wurde durch kontinuierliche Zufuhr des Monomers bei Rückkühltemperatur
des Lösungsmittels (1170C) ausgeführt.
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Das Reaktionsprodukt wurde mit Hexol niedergeschlagen, mit Methyläthylketon
erneut gelöst, wiederum mit Hexan niedergeschlagen und dann getrocknet.
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Ein Uberzugsmaterial wurde durch Zufügen von 20 Gew.% des Reaktionsproduktes
zu dem Methyläthylketon vorbereitet.
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Teströhrchen (100 ml) wurden mit der Uberzugslösung gefüllt.
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Die überschüssige Uberzugslösung wurde abgegossen und das Teströhrchen
auf 1600C für die Dauer von 5 Minuten erhitzt, um einen gehärteten Uberzug zu erhalten.
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Die überzogenen Röhrchen wurden dann mit einer wässerigen Lösung von
1%iger Muramidase gefüllt. Nach mehreren Stunden wurde die Enzymlösung aus den Teströhrchen
entfernt und de Teströhrchen mit Wasser sechsmal gespült.
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Die gewaschenen Röhrchen wurden dann mit einer Zellensuspension einer
Bakterie (Mikrokokkus -Lysodeikeikus) gefüllt, und zwar mit einer Zellendichte von
0,92 optischer Dichte (O.D.) bei 660 Spektrophotometereinheiten. Die Zellendichte
der überlebenden Bakterienspezies nach einer Stunde Berührung wurde bestimmt mit
üblichen Methoden und wurde mit dem Wert Null festgestellt Zum Zwecke des Kontrastes
wurde das Verfahren nach Beispiel II wiederholt mit der Ausnahme, daß das überzogene
Röhrcheninnere nicht mit einer Enzymdispersion in Kontakt gebracht wurde. Die Zellendichte
der überlebenden Bakterienspezies nach einer Stunde Kontakt wurde bestimmt zu 0,92
O.D., d.h. es blieb die ursprüngliche Bakterienzellendichte aufrechterhalten.