DE2929872A1 - Verfahren zur herstellung von hydrophilen, gelfoermig oder geschaeumten biokatalysatoren mit hoher beladung an enzymatisch aktiver substanz und biokatalysator. - Google Patents

Verfahren zur herstellung von hydrophilen, gelfoermig oder geschaeumten biokatalysatoren mit hoher beladung an enzymatisch aktiver substanz und biokatalysator.

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DE2929872A1 DE19792929872 DE2929872A DE2929872A1 DE 2929872 A1 DE2929872 A1 DE 2929872A1 DE 19792929872 DE19792929872 DE 19792929872 DE 2929872 A DE2929872 A DE 2929872A DE 2929872 A1 DE2929872 A1 DE 2929872A1
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Description

  • "Verfahren zur Herstellung von hydrophilen,
  • gelförmigen oder geschäumten Biokatalysatoren mit hoher Beladung an enzymatisch aktiver Substanz" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biokatalysatoren aus hydrophilem Polyurethan zur Durchführung von enzymatischen Reaktionen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß eine wässrige Suspension oder Lösung einer enzymatisch aktiven Substanz mit einem flüssigen hydrophilen Polyisocyanat gemischt wird und unter Bildung eines kovalenten Netzwerkes zu einem enzymatisch aktiven hydrophilen Polyurethan reagiert. Die enzymatisch aktive Substanz ist darin physikalisch eingeschlossen.
  • Physikalischer Einschluß von enzymatisch aktiver Substanz in pclymere Netzwerke ist für verschiedene Polymere beschrieben. Die vernetzende Copolymerisation von Vinylmonomeren (z.B. Acrylamid und N,N'-Methylendiacrylamid) führt aber nur zu Biokatalysatoren mit geringer enzymatischer Konzentration. Ca-Alginate stelien kein kovalentes Netzwerk dar und lösen sich in Gegenwart von Phosphationen wieder auf. Der Einschluß in Epoxide gelingt nur durch einen mehrstufigen Prozeß. Während der langen Reaktionszeit (ca. 24 Std.) steht die enzymatisch aktive Substanz in Kontakt mit dem Epoxidhärter.
  • Es besteht also weiterhin Bedarf an Polymernetzwerken, die zum physikalischen Einschluß enzymatisch aktiver Substanz geeignet sind und möglichst schnell und einfach zu einem Biokatalysator verarbeitet werden können.
  • Polyurethane stellen eine für diesen Zweck neue Stoffklasse dar.
  • Sie wurden allerdings bisher nur zum Einschluß von Enzymen benutzt. Die Fixierung ganzer Mikroorganismen ist noch nicht beschrieben.
  • Der Stand der Technik wird in folgenden Veröffentlichungen wiedergegeben: (1) FUKUI,S. Biotechnol. Bioengin., 20,1465, (1978) (2) Patent der Toyo Rubber Ind. Co., CA 90: 18311v (3) " " W.R. Grace & Co, CA 88: 61144p (4) " II 1 , CA 89:102834e (5) ii is ii , CA 89:102837h Danach gelangt man in zwei Reaktionsschritten zum Polyurethan.
  • Zunächst wird ein Prepolymer mit Isocyanatgruppen hergestellt.
  • Dazu addiert man an ein Prepolymer mit Hydroxylgruppen Toluoldiisocyanat (TDI). So erhält man für jede Hydroxylgruppe eine Isocyanatgruppe.
  • Geht man von einem Prepolymer mit terminalen Hydroxylgruppen aus, erhält man ein lineares Diisocyanat. Nur Prepolymere mit mehr als drei Hydroxylgruppen geben nach der Reaktion mit Toluoldiisocyanat Polyisocyanate.
  • Im zweiten Reaktionsschritt vernetzen jeweils zwei Isocyanatgruppen durch Reaktion mit Wasser.
  • Das bei der Reaktion entstehende CO2 1äßt das Reaktionsgemisch aufschäumen und gibt dem Polyurethan die Schaumstoffstruktur.
  • Hieraus geht hervor, daß lineare Diisocyanate nur ein lineares Polyurethan bilden können: (1), (2) und (3).
  • Nur Polyisocyanate reagieren zu einem Polymernetzwerk und sind dementsprechend wesentlich fester: (4) und (5).
  • Die beschriebenen Polyisocyanate weisen jedoch einen großen Nachteil auf. Wegen ihrer Hydrophobie können sie nicht mit einer wässrigen Suspension oder Lösung enzymatisch aktiver Substanz gemsicht werden. Nan umgeht dieses Proolem in dem Verfahren (4) dadurch, dass man das flüssige Polyisocyanat direkt mit dem trockenen Enzym mischt. Zu diesem Zweck muss das Enzym im mehre ren Verfahrensstufen isoliert und getrocknet werden.
  • Der nach diessem Vorfahren erzeugte Biokatalysator ist massiv und hart und wird mechanisch zerkleinert.
  • @@ Vorschlang(5) wird das Enzym mit dem Polyisocyanat in einem relativ nichtwässrigen Medium" gemischt. Reaktionen in einem organischen Lösungsmittel sind aber mit einem erheblichen apperativen Mehraufwand verbunden. Meistens ist ein Arbeiten in offenen Reaktion gefäßen wegen des hohen Dampfdruckes der organischen Flüssigkeit und der damit verbundenen toxikologischen Belastung nicht möglich, s daß alle Verfahrensstufen in gas dichten Apparaturen durchgeführt: werden miissen. Die organische Lösung enthält Polyisocyanat und Enzyn Sie wird in einem großen überschuß Wasser dispergiert. Der nicht dispergierte Anteil wird abfiltriert. Er enthält das polymer gebundene Enzym und beinhaltet noch 50 % der ursprünglichen Lnzymaktivität.
  • Der dispergierte Polymeranteil stellt insgesamt einen Verlust dar.
  • Es sollte jedoch möglich sein, Wasser und organisches Lösungsmittel wieder zu gewinnen. Dazu ist jedoch nochmals ein nicht unberäcitlicher apparativer Aufwand erforderlich und auch ein zusätzlicher Energiebeitrag notwendig.
  • Zusammenfassend läbt sich feststellen, dati Diisocyanate nicht zur Fixierung von Enzymen geeignet sind, weil die daraus hergestellten Polyurethane nicht ausreichend fest sind. Polyisocyanate bilden zwar ein festes Polymernetzwerk, aber sie sind nicht zur Fixierung von wässriger enzymatisch aktiver Substanz geeignet, solange sie nicht zugleich mit einem hohen CO-Gehalt hydrophile Eigenschaften aufweisen.
  • Das Verfahren der Erfindung verwendet hydrophile Polyurethane zum physikalischen Einschluss enzymatisch aktiver Substanzen. Ausgangsstoffe sind vorzugsweise hydrophile Polyisocyanate, die als mehrfunktionelle Prepolymere zum Aufbau eines Polymernetzwerkes geeignet sind.
  • Polyisocyanat Hersteller NCO-Gehalt I Hypol FHP 2000 W.R. Grace 7 - 10 Gew.% II Hypol FHP 3000 " 7 - 10 III FRL 2297 Bayer AG 9,9 Gew.% IV FRL 2235 ii 3,6 IIIund IV sind Desmodur T 80-Typen mit unterschiedlichem NCO-Gehalt W.R.Grace & Co, Whittemore Ave., Cambridge, NA o2 140, USA Bayer Au, 5090 Leverkusen, Die hydrophilen Eigenschaften ermöglichen ein Mischen des flüssigen Polyisocyanats mit einer wä3rigen Suspension oder Lösung enzyrnatisch aktiver t i ver Substanz Gegen diesen überraschenden tochnischen ffekt bestand offenbar ein Vorurteil der Fachwelt.
  • Die Herstellung des Biokatalysators verläuft danach in wenigen Verfahrensstufen: 1) Mischen einer wässrigen Suspension oder Lösung enzymatisch aktiver Substanz mit flüssigen hydrophilen Polyisocyanat 2.a) Reaktion zum hydrophilen Polyurethan in Blockform 2.b) Alternativ zu 2.a) Reaktion zum hydrophilen Polyurethan in Perlform 3) Waschen des Biokatalysators zum Entfernen von C02 4) Abtrennen und Ausführen des Biokatalysators Die Reaktion zum Polyurethan verläuft unter so milden Bedingungen, dag3 dieses Verfahren auch zur Fixierung von vermehrungsfähigen ganzen Mikroorganismen geeignet ist. Ein überleben der ganzen Zelle ist gewährleistet und deshalb ist dieses Verfahren insbesondere interssant für Reaktionen, die unter gleichzeitiger Beteiligung mehrerer Enzyme verlaufen und fUr die ein lebensfähiger Mikroorganismus notwendig ist. Die wässrige Suspension oder Lösung der enzymatisch aktiven Substanz kann einen Feststoffgehalt bis etwa 30 Gew. % aufweisen. Darüberhinaus wird die Reaktion zum Polyurethan so beeinträchtigt, daß dessen mechanische Stabilität verschlechtert wird.
  • Das Verfahren der Erfindung gestattet unterschiedliche Typen herzustellen.
  • Die Polyisocyanate I bis III bilden Polyurethanschaumstoffe und das Polyisocyanat IV mit geringerem NCO-Gehalt bildet ein Polyurethangel. Für die rypen I bis ,II besteht die Möglichkeit, das Mischungsverhältnis wäßriger Suspension oder Lösung zu flüssigem Polyisocyanat in einem weiten Bereich zu variieren.
  • Dadurch wird eine bestimmte Dichte des Polyurethans Unc zugleich auch die Porosität der Schaumstoffe eingestellt. Abb.1 und 2 seien für zwei Polyisocyanattypan die Dichte der Polyurethane in Abhängigkeit vom Mischungscethältnis, Durch den Mischvorgang wird die Reaktion gestartet. Zum weiteren Ablauf ist keine Veränderung der Temjperatur oder des pH-Wertes nötig. Die Reaktion läuft bei pH 7 ab. Durch die Temperatur wird die Reaktionsgeschwind'igkeit beeinflußt. Temperaturerhöhung wirkt beschleunigend. Es ist ein Temperaturbereich von O - 50 oC möglich. Die obere Grenze ist durch die thermische Relastbarkeit von Polyisocyanat gegeben. Während der Reaktion erwärmt sich das Reaktionsgemisch geringfügig. Abb.3 zeigt dn Temperaturverlauf in 10 g Reaktionsgemisch bei zwei verscheidenen Temperaturen.
  • Die Reaktionszeit ist kurz und beträgt nur bis 30 Minuten. Diese hangt von der Wahl des Polyisocyanata und der Temperatur ab.
  • Bei den Polyisocyanattypen I bis III bewirkt das bei der Reaktion frei werdenae CO2 ein Aufschäunen des Reaktionsgemisches und gijt deni Polyurethan die Schaumstoffstruktur.
  • Bei dem Polyisocyanattyp IV bewirkt der niedrigere NCO-Gehalt und der wesentlich höhere Wassergehalt in Reaktionsgemsich, dass bei Temperaturen unnter +10°C alles CO2 absorbiert wird. Dadurch entsteht ein Polyurethangel.
  • Abbildung 3 zeigt den Temperaturverlauf in 10 g.Reaktionsgemisch aus 5 g Hypol FHP 3000 und 5 g Wasser Der Biokatalysator kann als Block beliebiger Form und Größe erhalten werden1 indem man das Reaktionsgemisch in ein beliebiges Reaktionsgefäß gleit und darin reagieren läßt. Alternativ dazu kann er perlförmig gewonne-n werden, indem das Reaktionsgemisch in flüssitges Paraffin gegossen wird. Dabei kann durch die Viskosität des Paraffins und durch die Rührgeschwindigkeit Einfluß auf die Korngrößenverteilung genommen werden.
  • Es wird vorzugsweise eine Korngrössenverteilung von 0,5 bis 5 mm einestellt.Das verwendete Paraffin kann in das Verfahren zurückgeführt werden.
  • Untersuchungen der Polyurethanschaumstoffe im Lichmikroskop und im Rasterelektronenmikroskop lassen die offenzellige Struktur erkennen. Die zahlreichen makroskopischen Hohlräume sind miteinander verbunden. Auch perlförmiger Biokatalysator zeigt im Innern die Schaumstoffstruktur, weist aber außen eine fast vollständig geschlossene Oberfläche auf.
  • Die Dichte der blockförmigen Polyurethanschaums.toffe kann durch Oberdruck während der Reaktion von 0,55 auf 0,4 Kg/l erhüht werden Abbildung 4 zeigt die Dichte von Polyurethan in Abhängigkeit von Druck währen der Reaktion am Beispiel Hypol RHP 3000. Mischungsverhältnis g H20 : g Polyisocyanat = 1 : 1. 100 kPa entspricht Normal druck Die Fixierung ganzer Mikroorganismen wurde am Beispiel von E. cGlf ATCC 11105 dargestellt. Er liegt als 20 %-ige wäßrige Suspension vor (= Biofeuchtmasse). Es wurde eine maximale Konzentration an Biofeuchtmasse im Katalysator angestrebt, Noch höhere Konzentration führt zu schlechterer mechanischer Stabilität und Auswachung der Zellen aus dem Träger. In Tab.1 sind die jevfeiligen Werte fr verschidene Träger aufgelistet. Die Spalten 3 und 4 geben die Konzentration in g Biofeuchtmasse.pro 9 Katalysator bzw. pro rl Katalysator an. Die Restaktivität wird als Verhältnis der Aktivität fixierter Mikroorganismen zur Aktivität einer gleichen Menge frei suspendierter Mikroorganismen definiert. In Spalte 6 gibt Sie Größe n kat/1Katalysator einen Anhaltspunkt für die Wirtschaftlichkeit des Biokatalysators an.
  • Die maximale Konzentration an g Biofeuchtmasse pro g Katalysator beträgt für die Schaumstoffe etwa 0,5, infolge der starken Volumenzunahme bei der Reaktion. kommt es aber zu einem Absinken der volumenbezogenen Konzentration auf etwa 0,' g BFM/ml Katalysator. Tab. 1 Fixierung von E. coli ATCC 11105 Träger Form g BFM g BFM Restakt n kat g Katalys. m) Katalys. % 1 Katalys.
  • Hypol FHP 3000 Block C,27 oo,3 15 ld00 Hypol FHP 3000 Block 0,50 0,08 25 9300 Hypol FHP 3000 Perle C,21 00;0 14 4300 FRL 2297 Block 0,50 0011 7 2200 FRL 2297 Block 0,10 00,2 48 FRL 2235 Block 0,10 00,10 22 8300 FRL 2235 Perle 0,10 00, 7 43 8300 dieser crt wird auch nicht im Fall der perlförmigen Teilchen überschritten Bei den Polyurethangelen tritt zwar keine Volumenzunahme ein, aber hier muß von vornherein eine geringere Konzentration gewählt werden. Die maximale Restakt,vität liegt bei 50 % und die hochste Effektivität bei ca. 15 000 n kat/l Katalysator.
  • Lösliche oder unlösliche mikrofeine Zuschläge erhöhen im Fall der Schdumstoffe die mikroskopische Porosität und erhöhen die Effektivität. So kann durch Zusatz von thermisch erzeugtem SiO2 mit geringem Schüttgewicht die Effektivität um 12 % verbessert werden.
  • Der Biokatalysator kann in verschiedenen Reaktorformen eingesetzt werden. In Perlenform und mechanisch zerkleinert ist er sowohl ür den Festbettreaktor als auch für den Rührreaktor geeignet. Beim Einsatz als Festbett muß die Elastizität des Materials berücksichtigt werden. Bei hohem Differenzdruck wird die Schüttung komprimiert und nimmt unter vermindertem Differenzdruck ihr ursprüngliches Volumen wieder ein.
  • Der Druckverlust wurde an Schüttungen aus perlförmigem Polyurethanschaumstoff und Polyurethangel gemessen (Abbildunyen 6 und 7) abb.5 gibt den schematischen Aufbau der Messapparatur wieder.
  • Abbildung 5 zeigt den schematischen Aufbau der Messapparatur.
  • Abbildung 6 zeigt den Druckverlust einer Schüttung aus perlförmigem Polyurethanschaumstoff.
  • Die Schüttung aus perlförmigem Polyurethanschaumstoff wird dur Gen bei der messung auftretenden Differenzdruck nicht Komprimiert.
  • Die Zunanme des Fließwiderstandes mit hönerer Strömungsleschwindigkeit muX daher als Übergang vom aminaren zum turbulenten Flies sen gedeutet werden Abbildung 7 zeigt den Druckverlust einer Schüttung aus perlförmigem Polyurethangel.
  • Bei perlförmigen- Polyurethangeten kommt es schon bai geringe Differenzdruck zur Kompression der Schüttung rd damit zur Verstopfung.
  • Polyurethanschaumstoff kann auch unzerkleinert als blockförmiger Festbettreaktor eingesetzt werden. Nach dem Entfernen der nicht porösen Deckschicht gewärhrleistet die offenzellige Struktur eine Durchfluß (Abb.8) In dieser Form bietet sich der Biokatalysator für Reaktionen an, bei aenen Gase gebildet werden. Die ReiXfestigkeit des Polyurethans verhindert die Zerstörung des Trägers und die Schaumstoffstruktur ermöglicht eine Gasabsonderung an einer ganzen Fläche.
  • Durch die offenzellige Struktur ist die Atstragung der Gase as dem Katalysator gewährleistet.
  • Die Elastizität der Polyurethanschaumstoffe wurde mit Hilfe einer Kraftmeßapparatur nachgewiessen. Dazu wird eine Schaumstoffperl, (d=1 mm) auf einen Kraftaufnehmer gesetzt. Ein Stempel preßt mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit d4e Perle auf den Kraftaufnehmer. Die auf die Perle wirkende Kraft wird gemessen und als Kraft-Zeit-Diagramm aufgezeichnet. Ein Bruch des Materials wrde sich ajrch eine zahnartige Diskontinutät im Diagramm bemerkbar machen.
  • Abbildung 8 zeigt den Druckverlust an blockförmigem Polyurethanschaurnstoff I Hypol FHR 3000; 11 ypol FHR 2000; III Hypol PRL 2297.
  • Abbildung 9 zeigt die Messapparatur zur Aufnahme von Kraft-Zeit-Kurven.
  • Abbildung 10 zeigt ein Kraft-Zeit-Diagramm einer Polyurethanperle aus Hypol FHP .000 unter Belastung und Entlastung Das Diagramm läßt keinen Bruch des Materials bei Belastung erkennLn. Bei Entlastung nimmt die Perle ihr ursprüngliches Volumen wieder ein und das Diagramm ist deshalb symmetrisch für Belastung und Entlastung.
  • Ausführungseispiel 1: Biokatalysatorschaumstoff 1) 10 g hydrophiles Polyisocyanat (20 OC) Hypol FHP 3000 oder Hypol FHP 2000 der Fa. W.R. Grace & Co, Whittemore Avenue, Cambridge, Massachusetts 02140, USA oder FRL 2297 (Desmodur T 80 mit 9,9 °Ó NC0) der Fa. Bayer AG, 5090 Leverkusen werden mit 10 g Biofeuchtmasse E. coli ATCC 11105 (Wassergehalt 80 Gew. %) eine Minute lang intensiv bei Raumtemperatur gemischt.
  • Das Mischungsverhältnis von enzymatisch aktiver Suspension: flüssigem Polyisocyanat beträgt 1:1 (9/9).
  • 2a) Das noch flüssige Reaktionsgemisch wird in ein Reaktiõnsgefä.;3 gegossen, das etwa die fünffache Volumenmenge der Reaktionsmischung fassen kann. Die Reaktion verläuft ohne Veränderung des pH-Wertes etwa bei pH 7 ab und tritt für etwa 10 Minuten eine Erwärmung des Reaktionsgemisches um höchstens 10°C ein. Das bei der Reaktion frei werdende C02 läßt das Reaktionsgemisch aufschäumen. Nach 20 Minuten ist die Reaktion.beendet und es liegt ein enzymatisch aktiver Schaumstoff vor.
  • Er wird mechanisch auf die gewünschte Größe zerkleinert.
  • 3) Der Biokatalysator wird 12 Stunden in physiologischer NaCl-Lösung bei Raumtemperatur gewaschen, um anhaftende CO2-Mengen zu entfernen.
  • 4) Der Biokatalysator wird abgetrennt und im feuchten Zustand ausgeführt. Die Waschlösung wird verworfen.
  • Aktivitätstest Der Mikroorganismus E. coli ATCC 11105 enthält das Enzym Penicillin-G-Acylase. Es hydrolysiert Penicillin G zu 6-Aminopenici7lansäure und Phenylessigsäure (Phenylethansäure). 6-Amino penicillansäure dient als Ausgangsprodukt für semisynthetische Penicilline.
  • Durch pH-statische Titration der bei der Reaktion freigesetzten Phenylessigsäure bei pH 7,8 und 37 0C mit 0,01N NaOH wird die Reaktionsgeschwindigkeit der enzymatischen Hydrolyse im Rührreaktor gemessen. Die Substratkonzentration beträgt 2,5 g Penicillin G in 50 ml destilliertem Wasser (5 %) und es werden 5-10 ml zerkleinerter Katalysator verwendet.
  • ßiokatalysatorschaumstoff: Konzentration = 0,08 g BFM/ml Katalys.
  • Aktivität = 13,3 n kat/ml Katalys.
  • Restaktivität = 25 % Ausführungsbeisplel 2: Perlförmiger Biokatalysator 1) 15 g Biofeuchtmasse E. coli ATCC 11105 (Wassergehalt 80 Gew.) werden in 10 ml destilliertem Wasser suspendiert und anschliessend 1 Minute lang intensiv bei Raumtemperatur mit 25 g flüssigem hydrophilen Polyisocyanat Hypol FHP 3000 oder Hypol FHP 2000 der Fa. !ç.R. Grace & Co, Whittemore mvenue, Cambridge, Massachusetts 02140, USA oder FRL 2297 (Desmodur T 80 mit 9,9 % NCO) der Fa. Bayer AG, gemischt.
  • Das Mischungsverhältnis enzymatisch aktiver Suspension: flüssigem Polyisocyanat 1:1 (g/g).
  • 2b) Das noch flüssige Reaktionsgemisch wird in ein Bechergias mit 2 l dünnflüssigem Paraffin (dynamische Viskosität bei 25 0C = 0,02 Pa#s ) gegossen. Dabei wird mit einem Blattrührer gerührt (ca. 400 U/Min). Die Reaktionszeit beträgt 30 Minuten.
  • Danach liegen kugelförmige Perlen mit einer Korngrößenverteilung von 0,5 bis 3 mm Durchmesser aus Polyurethanschaumstoff vor. Der Biokatalysator wird vom Paraffin abgetrennt. Das Paraffin kann wieder verwendet werden.
  • 3) und 4) wie in Beispiel 1 beschrieben.
  • Aktivitätstest: Konzentration = 0,10 g BFM/ml Katalys.
  • Aktivität = 4,3 n kat/ml Katalys.
  • Restaktivität = 14 Ausführungsbeispiel 3: Polyurethangel 1) 30 g Versuchsprodukt FRL 2235 (Desmodur T 80 mit 3,6 Gew. % NCO) der Fa. Bayer AG werden bei Raumtemperatur mit einer kalten (+5 oC) Suspension von 20 g E. coli ATCC 11105 Biofeuchtmasse (Wassergehalt 80 S) in 150 g dest. Wasser intensiv ca. 100 Sekunden lang gemischt.
  • Das Mischungsverhältnis enzymatisch aktiver Suspension: flüssigem Polyisocyanat beträgt 5,67 : 1 (g/g).
  • 2a) Das noch flüssige Reaktionsgemisch wird in ein Reaktionsgefäß gegossen. Das bei der Reaktion entstehende C02 wird vollständig in Wasser gelöst, so daß ein massives Gel entsteht. Nach 10 Minuten ist die Reaktion beendet und das Gel wird mechanisch zerkleinert.
  • 3) und 4) wie in Beispiel 1 beschrieben.
  • Aktivitätstest: Konzentration = 0,10 g BFM/ml Katalys.
  • Aktivität = 8,3 n kat/ml Katalys.
  • Restaktivität = 22 Der nach dem Verfahren der Erfindung erzeugte gelförmige oder geschäumte Biokatalysator ist im NCO-Gehalt definiert.
  • Der HCO-Gehalt ist g HCO # 100 = HCO-Gehal g Polyisocyanat in Gewichtsprozent.
  • Der NCO-Gehalt kann durch Darstellung eines Polyisocyatates oder durch Mischen von zwei Polyisocyanaten mit höherem und mit niedrigerem NCC-Gehalt eingestellt werden.
  • In Gegensatz zu bekannten hydrophoben Polyuretharne, bei denen nur 0,03 bis 0,05 g H2O je g irepolymer nur im äquivalentem verhältnis verarbeitel werden können, wird in dem Verfahren der Erfindung kein stöchiometrisches Verhältnis bei Einsatz hydrophler Polyisocyanate notwendig. En könne hydrophile Polyisocyanate innerhalb einem weiter bereiches von 0,3 bis 7,0 @ H2O prog Polymecyanat mit beliebigen Mengen Wasser reamicron.
  • Es werden nur etwa bis 10 % der Wassermonye zur Deckung des stöchiometrischen beaurfes penötight.
  • Die übrige Menge bleobt im Biokatalysator emäss der Erfindung enthalten. Es entsient also kein Üborshuse an Wasser, der gesondert aus dem Verhtren entfernt werden muss.
  • Diese Möglichkeit der Auswahl eines weiten Bereiches an Wasser pro g Polyisocyanat stellt also geremüler dem Stand der Technik einen erheolichen Vorteil dar.

Claims (19)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1.Verfahren zur Herstellung von gelförmigen oder geschäumten Bickatalysetoren mit hoher Beladung an enzymatisch aktiver Substanz durch Polymereinschluss ganzer Zellen, von Zellfragmenten oder Enzymen, gekennzeichnet durch folgende Stufen: 1)Nischen einer wässrigen Suspension oder Lösung einer enzymtisch aktiven Substanz mit flüssigem nycrophilem Polyisocyaun lescun scerhäenis wässrige asse: flüssiges Polyisocyanat wie etwa 0,3 : 1 bis 7 : 1 (g / g ) zur Einstellung einer bestimmten Dichte und Porosität der Ne-tzwerkstruktur des Biokatalysators, 2a)Eingiessen des noch flüssigen Reaktionsgemisches in ein Reaktiongefäss und Reaktion zur Bildung eines enzymatisch aktiven hydrophelen Polyurethan-Hetzwerkes in Blockform, oder 2b)Eingiessen des noch flüssigen Reaktionsgemisches in dünnflüssiges Paraffin und Reaktion zur Bildung eines enzymatisch aktiven hydrophilen Polyurethansetzwer als perlformire Teilchen 39Auswaschen der Biokatalysator-Masse mit Wasser oder physiologischer Salzlösung oder Neutralisation mit verdünnter, alkalischer Lösung zur Entfernung anhaftender 002 engen, 4)Abtrennen der Waschlösung und Ausführen des feuchten Biokatalysators.
  2. 2.Verfahren nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die enzymatisch aktive Substanz aus vermehrungsfähigen oder nicht vermehrungsfähigen ganzen Zellen oder Zellfragmenten besteht.
  3. 3.Verfahren nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die enzymatisch aktive Substanz aus einem isoliertem Enzym oder Enzymkomplex besteht.
  4. 4.Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2,dadurch gekennzeichnet,dass die wässrige Suspension der enzymatisch aktiven Substanz einen Feststoffgehalt bis etwa 30 Gewichtsprozent aufweist.
  5. 5.Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet,dass zur Herstellung eines enzymatisch aktiven Polyurethan-Netzwerkes in Gelform nach Stufe 2a flüssiges Polyisocyanat mit einem NCO- Gehalt von etwa 3,6 Gewichtsprozent verwendet wird.
  6. 6.Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet,dass die Bildung eines enzymatisch aktiven Polyurethan-Netzwerkes in Gelform bei einer Reaktionstemperatur zwischen 0° bis 10 0C und einem Wassergehalt des Reaktionsgemisches zwischen 40 und 90 Gewichtsprozent erfolgt.
  7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeicbnet'dass zur Herstellung eines geschäumten,offenporösen Biokatalysators mit grosser katalytisch wirksamer Oberfläche flüssiges Polyisocyanat-mit einem NCQ-Gehalt von 7 - 10 Gewichtsprozent verwendet wird.
  8. 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7dadurch gekennzeichnet,dass in Stufe 2b das dünnflüssige Paraffin eine Viskosität von 0,02 (Pa.s) / 25 0C aufweist.
  9. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass das in Stufe 2b abgetrennte dünnflüssige Paraffin in diese Stufe, gegebenenfalls nach Ergänzung der Menge, zurückgeführt wird.
  10. 10.Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9,dadurch gekennzeichnet,dass in Stufe 2a die Reaktion im Temperaturbereich zwischen 0° und 50 0C durchgeführt wird.
  11. 11.Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9,dadurch gekennzeichnet, dass in Stufe 2b die Reaktion im Temperaturbereich zwichen 0° und 50°C durchgeführt wird.
  12. 12.Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9,dadurch gekennzeichnet,dass die Reaktion in Stufe 2b unter Rühren durchgeführt wird.
  13. 13.yerfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,dass in Stufe 2b zur Bildung eines enzymatisch aktiven Rolyurethan-Netzwerkes als perlförmige Teilchen die Einstellung eines bestimmten Kornbereiches zwischen 0,1 bis etwa 5 mm in Abhängigkeit von der Rührgeschwindigkeit und der Viskosität des dünnflüssigen Paraffins erfolgt.
  14. 14.Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 7 bis 13,dadurch gekennzeichnet,dass in Stufe 2a zur Einstellung einer Dichte der Netzwerkstruktur des geschäumten Biokatalysators bis O,4(kg/l)ein Überdruck bis etwa(300 kPa)angewendet wird.
  15. 15.Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 7 bis 14,dadurch gekennzeichnet, dass in Stufe 1 feinteilige Füllstoffe, wie Kieselgel,thermisch erzeugtes piO2 mit niedrigem Schüttgewicht,in Mengen bis etwa 30 Gewichtsprozent,bezogen auf die Polyisocyanat-Komponente,zur Erhöhung der Porosität und Permeabilität zugesetzt wird.
  16. 16.Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 7 bis 14,dadurch gekennzeichnet, dass in Stufe 1 wasserlösliche,feinkristalline Zuschlagstoffe,wie festes NaCl,in Mengen bis etwa 80 Gewichtsprozent,bezogen auf die Polyisocyanat-Komponente, zugesetzt wird.
  17. 17.Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,dass die wässrige Lösung der enzymatisch aktiven Substanz einen Feststoffgehalt bis 3 Gewichtsprozent aufweist.
  18. 18 .Biokatalysator nach den Ansprüchen dadurch gekennzeichnet,dass dieser beim Einschluss von ganzen Zellen eine Beladung mit katalytisch wirksamer Substanz bis 0,5 g Biofeuchtmasse g Biokatalysator oder von 0,1 g Biofeuchtmasse : ml Biokatalysator aufweist.
  19. 19. Anwendung des nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 7 bis 18 hergestellten Biokatalysators,dadurch gekennzeichnet, dass der nach Stufe 2a hergestellte Biokatalysator nach mechanischer Entfernung der nicht porösen Deckschichten als Block in ein Reaktionsgefäss eingebracht und zur Durchführung einer katalytischen Reaktion von einer Reaktionslösung durchströmt wird.
    20,Anwendung des nach den Ansprüchen 1 bis 19 hergestellten Biokatalysators, dadurch gekennzeichnet'dass der nach den Stufen 2a und 2b hergestellte Biokatalysator bestimmter Korngrösse in Bestbettpackung oder im Fliessbett oder im Rührkessel zur katalytischen Reaktion im stationären oder im nichtstationären Zustand eingesetzt wird.
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