DE2929872C2 - Verfahren zur Herstellung von hydrophilen, gelförmig oder geschäumten Biokatalysatoren mit hoher Beladung an enzymatisch aktiver Substanz - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von hydrophilen, gelförmig oder geschäumten Biokatalysatoren mit hoher Beladung an enzymatisch aktiver SubstanzInfo
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Description
2. Verfahren zur Herstellung von hydrophilen, geschäumten Biokataiysatoren mit hoher Beladung an
enzymatisch aktiver Substanz durch Polymereinschluß ganzer Zellen oder von Zellfragmenten unter Verwendung
von flüssigem, hydrophilem Polyisocyanat, unter Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensstufen:
1) Mischen einer wäßrigen Suspension ganzer Zellen oder Zellfragmenten mit einem Feststoffgehalt bis 30
Gew.-% mit flüssigem Polyisocyanat mit einem NOC-Gehalt von 7 bis lC/Gew.-°/o im Mischungsverhältnis
wäßrige Phase : flüssiges Polyisocyanat von 0,3 :1 bis 7:1 (g/g),
2a) Eingießen des noch flüssigen Reaktionsgemisches in ein Reaktionsgefäß und Reaktion zur Bildung eines
enzymatisch aktiven, hydrophilen Polyurethan-Netzwerkes in Blockform mit physikalischem Einschluß
der gai: :en Zellen oder Zellfragmenten bei einer Reaktionstemperatur zwischen 0° C und 500C, oder
2b) Eingießen des noch flüssigen Reaktionsgemisches in dünnflüssiges Paraffin und Reaktion zur Bildung
eines aktiven hydrophilen Polyurethan-Netzwerkes als perlförmige Teilchen mit physikalischem Einschluß
der ganzen Zeilen c ler Zellfragmenten bei einer Reaktionstemperatur zwischen 0° C und 50° C,
3) Waschen der Biokatalysatormasse mit Wasser oder physiologischer Salzlösung oder Neutrafisalion mil
verdünnter, alkalischer Lösung zur Entfernung anhaftender COj-Mcngcn,
4) Abtrennen der Waschlösung und Ausführen des feuchten Biokatalysators.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe 2b die Einstellung eWs bestimmten
Kornbereiches zwischen 0,1 bis 5 mm in Abhängigkeit von der Rührgeschwindigkeit und der Viskosität des
dünnflüssigen Paraffins erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Dichte der Net/.werkstruktur
des geschäumten Biokatalysators bis 0,4 kg/l ein Überdruck bis 300 kPa angewendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe 1) Kieselgel oder
termisch erzeugtes S1O2 mit niedrigem Schüttgewicht in Mengen bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Polyisocy-
anat-Komponente, zugesetzt wird. |
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe 1) festes NaCI in
Mengen bis 80 Gew.-%. bezogen auf die Polyisocyanat-Komponente, zugesetzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung gelförmiger oder geschäumter Biokatalysatoren mit i
hoher Beladung an enzymatisch aktiver Substanz. |
jj 55 Der physikalische Einschluß von enzymatisch aktiver Substanz in polymere Netzwerke ist für verschiedene |
Polymere beschrieben.
Die vernetzende Copolymerisation von Vinylmonomeren, wie Acrylamid und N.N-Me;hylenbisacrylamid.
führt nur zu Biokataiysatoren mit geringer enzymatischer Konzentration.
Ca-Alginate stellen 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 von
etwa 24 Stunden steht die enzymatisch aktive Substanz in Kontakt mit dem Epoxidhärter.
Es besteht Bedarf an Polymernetzwerken, die zum physikalischen Einschluß enzymatisch aktiver Substanz,
geeignet sind und möglichst rasch und einfach zu einem Biokatalysator verarbeitet werden können. Polyurethane
stellen eine für diese Aufgabe besonders geeignete Stoffklasse dar. Diese wurde bisher jedoch nur zum
Einschluß von Enzymen benutzt. Die Fixierung ganzer Mikroorganismen ist noch nicht bekannt.
Sofern Polyurethan über Diisocyanate hergestellt wird, ist dieses nicht zur Fixierung von Enzymen geeignet,
weil keine ausreichende Festigkeit besteht. Polyisocyanate bilden zwar ein festes Polymernetzwerk, aber diese
sind nicht zur Fixierung von wäßriger, enzymatisch aktiver Substanz geeignet, solange diese nicht zugleich mit
einem hohen NCO-Gehalt hydrophile Eigenschaften aufweisen. Dieser notwendige, technische Effekt wurde
erstmalig für das Verfahren der Erfindung verwendet, um die Aufgabe der Erfindung zu lösen, welches den
Polymereinschluß ganzer Zellen und von Zellfragmenten betrifft
Die Offenlegungsschrift 23 65 854 betrifft einen Biokntalysator in Form eines enzymhaltigen Polyurethans.
Dieser Biokatalysator ist durch eine bestimmte Struktur gekennzeichnet mit endständigen Isocyanaigruppen.
Dieser Biokatalysator beruht offen-;chtUch auf der Umsetzung von einer oder mehreren Aminogruppen des
Enzyms mit einer oder mehreren Isocyanatresten des Polyurethanpolymers.
Es liegt alto eine Bindung des Enzyms und kein nur physikalischer Einschluß gemäß dem Verfahren der
Erfindung vor, der dadurch einen weiteren Freiheitsgrad ergibt.
In dieser Druckschrift ist auch kein definiertes, weites Mischungsverhältnis der wäßrigen Phase zum flüssigen
Polyijocyanat beschrieben, sondern nur das Verhältnis 1 :1.
Dagegen beansprucht das Verfahren der Erfindung ein weites Verhältnis dieser Phasen, welches zum Einschluß
von ganzen Zellen und von Zellfragmenten notwendig ist Dies gilt besonders deshalb, um eine gleichmäßge
Verteilung der Phasen rasch zu bewirken.
Das Verfahren dieser Druckschrift arbeitet bei Raumtemperatur. Bei Einschluß ganzer Zellen und von t5
Zellfragmenten kommt es jedoch darauf an, die Reaktionszeit durch Anwendung höherer Temperatur abzukürzen,
wenn ein geschäumter Biokatalysator hergestellt wird
Die Offenlegungsschrift 24 10 693 betrifft monomere Isocyanate. Diese haben den Nachteil, daß mit diesen in
dem Biokatalysator die enzymatisch aktive Lebensfähigkeit stark herabgesetzt wird. Nach diesc^ Arbeitsweise
tritt eine kovalenie Bindung des Enzyms an das Netzwerk des Bickatalysators ein und gerade kein physikaüscher
Einschluß gemäß dem Verfahren der E-Jindung.
Dieses bekannte Verfahren führt auch zu einer Bindung des Enzyms an andere Zellen. Es wird die Bindung von
Glucoseamylase an Zellen eines Schimmelpilzes genannt
Diese Arbeitsweise geht für den Einsatz von ganzen Zellen einen völlig anderen Weg. Die Zellen werden
durch Hitzebehandlung bei 50° bis 100° C in ihrer enzymatischen Aktivität zerstört
Es heißt auch, daß durch diese Behandlung oder durch Anwendung von Säure oder Alkali die autolytische
Aktivität der Zellen zerstört wird.
Dagegen enthalten die nach dem Verfahren der Erfindung in Biokatalysatoren eingeschlossene (janze Zellen
oder Zellfragmente solche mit enzymatisch aktiver Substanz.
Dieser andere Weg dieser Druckschrift zum Einschluß von Zellen resultiert daher, daß diese nicht als
Biokatalysator, sondern für eine andere Aufgabe dienen. Diese andere Aufgabe betrifft die Verwendung der
eingeschlossenen Zellen als Matrix zur Bindung von Enzymen ohne eigene Aktivität.
Der Stand der Technik nach diesen beiden Offenlegungsschriften lehrt also die kovalente Bindung von
Enzymen, die zu einem chemisch modifizierten Enzym führt.
Nach diesem Stand der Technik sind also Enzyme über NCO-Gruppen an die Matrix gebunden und nicht, wie
nach dem Verfahren der Erfindung, nur physikalisch eingeschlossen. Die Offenlegungsschrift 26 25 544 geht
ebenfalls einen anderen Weg. Diese Druckschrift beschreibt die Immobilisierung von Proteinen, Coenzymen,
Enzymen, zusammen mit einem Coenzym für das Enzym. Dieses biologische Material wird in flüssiges Polyurethanpol
>iners mit endständigen Isocyanatgruppen eingearbeitet In der Stufe B soll das Gemisch mit einem
Härtungsmittel umgesetzt werden. Wesentlich ist. daß die M';chung vor dem Härten zu einem Film geformt
wird. Die Härtung wird im dampfförmigem Zustand durchgeführt, wozu inerte Gas verwendet werden. Das
erzeugte Produkt stellt keinen Biokatalysator mit biologischer Aktivität dar. Dieser soll vielmehr für die
Hemmung oder Verhinderung der bakteriellen Zersetzung eines, einer enzymatischen Reaktion unterliegenden,
Materials dienen. Sofern NCO-Gehalte aus den Offenlegungsschriften 23 65 854 und 26 25 544 abzuleiten S/nd,
ergibt sie';, daraus kein technischer Lffekt im Sinne der Lehre des Verfahrens der Erfindung.
Die amerikanische Patentschrift 40 71 409 verwendet anorganische Zusatzmittel als Trägersubstanz, um über
Kopplung mit Diisocyanat das Enzym an die anorganische Matrix zu binden.
Sofern das Verfahren der Erfindung feinteilige Füllstoffe, wie Kieselgel, verwendet, dienen diese dem technischen
Zweck der Erhöhung der Porosität und der Permeabilität und damit einer anderen Verwendung. Sofern
die Offenlegungsschrift 26 25 544 die Gelform erzeugt, so besteht diese aus einem Film. Diese dient der Herstellung
einet, pharmazeutiscnen Produktes, welches auf einem anderen Weg Proteine immobilisiert zur Bindung an
Enzyme.
Dagegen erzeugt das Verfahren der Erfindung die Gelform zur Herstellung von Biokatalysatoren. Die
Gelform stellt also nach dem Verfahren der Erfindung eine andere Aufgabe mit einem anderen Lösungs'A-eg dar.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung ist in den Patentansprüchen 1 und 2 definiert. Die Maßnahmen der
Unteransprüche stellen die bevorzugte Ausgestaltung dieses Lösungsweges dar.
Sofern in Stufe 2b des Verfahrens der Erfindung dünnflüssiges Paraffin verwendet wird, hat dieses vorzugsweise
eine Viskosität von 0.02 Pa · s/25°C. Das in Stufe 2b abgetrennte Pt. affin kann, gegebenenfalls nach
Ergänzung der Menge, in das Verfahren der Erfindung zurückgeführt wjrden.
Das Verfahren der Erfindung verwendet hydrophile Polyurethane zum physikalischen Einschluß enzymatisch
aktiver Substanzen. Als Ausgangsstoffe werden hydrophile Polyisocyanate mit definiertem NCO-Gehalt eingesetzt,
die als mehrfunktiorielle Prepolymere zum Aufbau des Polymernetzwerkes führen.
Die hydrophilen Eigenschaften gestatten ein Mischen des flüssigen Polyisocyanates mit einer wäßrigen
Suspension der erczvmatisch aktiven Substanzen. Gegenüber diesem überraschenden technischen Effekt bestand
offenbar ein erhebliches Vorurteil der Technik.
Handelsprodukte sind beispielsweise folgende:
Polyisocyanat NCO-Gcha!t
I Hypol FHP 2000 7-10 Gew.-%
II Hypol FHP3000 7-10Gew.-%
III FRL 2297 9,9Gew.-%
IV FRL 2235 3,6
III und IVsind»DesmodurT80-Typen« mit unterschiedlichem NCO-Gehalt.
Das Verfahren gemäß der Erfindung lehrt mit den Verfahrensstufen des kennzeichnenden Teiles der Ansprüche
1 und 2, Polyurethan-Netzwerke mit physikalischem Einschluß ganzer Zellen oder von Zellfragmenten in
Blockform oder in Perlform als Biokatalysatoren zu erzeugen.
Die Reaktion zum Polyurethan verläuft unter so milden Bedingungen, daß die Fixierung vermehrungsfähiger
ganzer Zellen überraschend möglich ist. Da das Überleben ganzer Zellen nach dem Verfahren der Erfindung
gegeben ist, kann dieses insbesondere auch für Reaktionen eingesetzt werden, die unter gleichzeitiger Beteiligung
mehrerer Enzyme aus lebensfähigen Mikroorganismen erfolgt.
Es wurde auch gefunden, daß zur Lösung der Aufgabe der Erfindung der Feststoffgehalt auf bis zu 30 Gew.-%
begrenzt werden muß. Bei einem höheren Gehalt wird die Reaktion zum Polyurethan beeinträchtigt und
dadurch die mechanische Stabilität verschlechtert.
Das Verfahren der Erfindung gestattet unterschiedliche Typen der Biokatalysatoren herzustellen.
Die Polyisocyanate I bis III mit hohem NCO-Gehalt bilden Polyurethanschaumstoffe. Das Polyurethan IV mit §!
geringerem NCO-Gehalt bildet Polyurethangel. W
Für die Typen I bis III kann das Mischungsverhältnis wäßrige Phase : flüssiges Polyisocyanat in einem weiten ||
Bereich variiert werden. Durch die Variation dieses Parameters kann die Dichte des Polyurethans und die ***'
Porosität der Schaumstoffe eingestellt werden.
Die A b b. 1 und 2 zeigen für 2 Typen von Polyurethan die Dichte in Abhängigkeit von diesem Mischungsverhältnis.
Durch den Mischungsvorgang nach Stufe 1 des Verfahrens der Erfindung wird die Reaktion gestartet. Für den
Durch den Mischungsvorgang nach Stufe 1 des Verfahrens der Erfindung wird die Reaktion gestartet. Für den
Ablauf der Reaktion ist keine Veränderung der Temperatur oder des pH-Wertes notwendig. Die Reaktion läuft |
bei pH 7 ab. Der erzeugte gelförmige oder geschäumte Biokatalysator ist im NCO-Gehalt definiert. Der |
NCO-Gehalt ist: i
χ 100 = NC.O-Gehalt
g hOlyisocyanat -------- ^
Dieser ist ausgedrückt in Gew.-°/o. Der NCO-Gehalt kann durch Darstellung eines Polyisocyanates oder durch
Mischen von zwei Polyisocyanaten ,-nit höherem und mit niedrigerem NCO-Gehalt eingestellt werden. Nach
dem Stand der Technik können bei hydrophoben Polyurethanen nur 0,03 bis 0,05 g H2O je g Prepolymer
verarbeitet werden, im äquivalenten Verhältnis. Dagegen wird nach dem Verfahren der Erfindung kein stöchiometrisches
Verhältnis beim Einsatz von hydrophilen Polyisocyanaten in Stufe 1 notwendig. Es können vielmehr
hydrophile Polyisocyanate innerhalb eines weiten Bereiches von 03 bis 7 g H2O pro g Polyisocyanat mit
beliebiger Menge Wasser reagieren. Es werden nur etwa bis 10% der Wassermenge zur Deckung des stöchiometrischen
Bedarfes benötigt Die übrige Menge bleibt im Biokatalysator enthalten. Es entsteht also kein
Überschuß an Wasser, der aus dem Verfahren ausgeführt werden muß.
Dieser technische Effekt der Auswahl eines weiten Bereiches an Wasser je g Polyisocyanat in Stufe 1 des
Verfahrens der Erfindung stellt einen erheblichen, technischen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik dar.
Die Reaktion nach dem Verfahren der Erfindung findet in den Stufen 2a oder 2b statt.
Das Verfahren der Erfindung gestattet unterschiedliche Typen herzustellen. Dies sind gelförmige oder geschäumte
Biokatalysatoren und zwar jeweils in Blockform oder als perlförmiges Teilchen. Die Polyisocyanate I
bis III bilden Polyurethanschaumsloffe und das Polyisocyanat IV mit geringerem NCO-Gehalt bildet Polyurethangel.
Bei der Reaktion in Stufe 2a und 2b wird zur Erzeugung gelförmiger Biokatalysatoren bei einer Reaktionstemperatur
unter 10° C gearbeitet
Bei der Reaktion in Stufe 2a und 2b wird zur Erzeugung geschäumter Biokatalysatoren bei Temperaturen
zwischen 0° und 50° C gearbeitet. Die obere Temperaturgrenze ist auch durch die thermische Belastbarkeit von
Polyisocyanat gegeben.
Während der Reaktion in den Stufen 2a und 2b erwärmt sich das Reaktionsgemisch geringfügig.
Die A b b. 3 zeigt den Temperaturverlauf in 10 g Reaktionsgemisch bei zwei verschiedenen Temperaturen. Die Reaktionszeit ist kurz und beträgt nur bis 30 Minuten. Es ist dadurch ein rascher Durchsatz gegeben.
Die A b b. 3 zeigt den Temperaturverlauf in 10 g Reaktionsgemisch bei zwei verschiedenen Temperaturen. Die Reaktionszeit ist kurz und beträgt nur bis 30 Minuten. Es ist dadurch ein rascher Durchsatz gegeben.
Die Dauer der Reaktionszeit ist auch von der Auswahl des Polyisocyanates und von der Temperatur abhängig.
Bei den Typen I bis III des Polyisocyanates bewirkt das bei der Reaktion frei werdende CO2 das Aufschäumen
des Reaktionsgemisches und führt zur Ausbildung der offenporigen Schaumstrakiur. Bei der Type IV des
ι \ 65 Polyisocyanates bewirkt der niedrigere NCO-Gehalt und der höhere Wassergehalt im Reaktionsgemisch bei
Reaktionstemperaturen unter 10°C die Absorption des CO2. Der Biokatalysator kann als Block in bestimmter
Form und Größe erzeugt werden durch die Vorgabe des Reaktionsgefäßes.
Die Erzeugung der Perlform erfolgt durch Eingießen in dünnflüssiges Paraffin in der Stufe 2b. Durch die
Auswahl der Viskosität des Paraffins und durch die unterschiedliche Rührgeschwindigkeit kann die Korngrößenverteilung
gesteuert werden*
Das Verfahren der Erfindung wird alternativ auf einen Korngrößenbereich von 0,1 bis 5 mm eingestellt.
Untersuchungen der Schaumstoffe aus Polyurethan im Lichtmikroskop und im Rasterelektronenmikroskop
lassen die offenzeilige Struktur erkennen. Die zahlreichen makroskopischen Hohlräume sind miteinander verbunden.
Dt* jjerlförmigc Biokütalysator zeigt in seinem Inneren die Schaumstoffstruktur..Dieser weist außen eine fast
vollständig geschlossene Oberfläche auf. Das Verfahren der Erfindung wird alternativ in der Dichte der Netzwerkstruktur
des geschitumten Biokatalysators durch Überdruck bis 300 kPa während der Reaktion auf 0,15 bis
0,4 kg/l eingestellt.
A b b. 4 zeigt die Dichte von Polyurethan in Abhängigkeit vom Druck während der Reaktion für die Type
»Hypol FHP 3000«. Das Mischungsverhältnis beträgt 1 :1 in Stufe 1 des Verfahrens der Erfindung. Es entspricht
100 kPa dem Normaldruck. Die Fixierung des Mikroorganismus E. coli. ATCC 11 105 als ganze Zelle demonstriert
Tabelle 1.
Die wäßrige Suspension der ganzen Zellen liegt in Stufe 1 als 20%ige Biofeuchtmasse vor. Spalte 1 zeigt
verschiedene Handelstypen als Trägermaterial. Spalte 2 zeigt die erzeugte Form des Biokatalysators. Die
Spalten 3 und 4 zeigen die Konzentration in g Biofeuchtmasse pro g Biokatalysator bzw. pro ml Biokatalysator.
Die Kestaktivität ist als Verhältnis der Aktivität fixierter Mikroorganismen zur Aktivität der gleichen Menge frei
suspendierter Mikroorganismen definiert Spalte 6 zeigt die Größe η kat/1 Biokatalysator als Anhaltspunkt für
die Wirtschaftlichkeit des Biokatalysators.
Tabelle 1 | Form | g BFM | g BFM | Restaktivität | nkat |
Träger | g Katalysator | ml Katalysator | % | 1 Katalysator | |
25
Hypol FH P 3000 Block 0,27 0.03 15 1800
Hypol FHR 3000 Block 0,50 0,08 25 9300
Hypol FHR3000 Perle 0,21 0.10 14 4300
FRL 2297 Block 0,50 0,11 7 22C0
FRL 2297 Block 0,10 0,02 48 3800
FRL 2235 Block 0,10 0,10 22 8300
FRL 2235 Perle 0,10 0,05 43 8300
Die maximale Konzentration an g Biofeuchtmasse pro g Biokatalysator beträgt für die Schaumstruktur etwa 0,5.
Durch die starke Zunahme des Volumens bei der Reaktion in den Stufen 2a oder 2b des Verfahrens der
Erfindung erfolgt ein Absinken der Konzentration auf etwa 0,1 g Biofeuchtmasse (BFM)/ml Biokatalysator.
Bei der Erzeugung des Polyurethans in Gelform erfolgt zwar keine Zunahme des Volumens, es ist aber eine
geringere Ausgangskonzentration eingesetzt worden. Die maximale Restaktivität liegt bei 50%, und die höchste
Effektivität bei etwa 15 000 η kat/1 Katalysator. Das Verfahren der Erfindung verwendet alternativ in Stufe 1 den
Zusatz von löslichen oder unlöslichen mikrofeinen Zuschlagen. Es werden vorzugsweise Kieselgel oder thermisch
erzeugtes S1O2 mit niedrigem Schüttgewicht bis zu 30 Gew.-% zugesetzt
Durch den Zusatz von thermisch erzeugter S1O2 kann bei Biokatalysatoren mit Schaumstruktur die mikroskopische
Porosität und die Effektivität um 12% erhöht werden. Der Biokatalysator nach dem Verfahren der
.Erfindung kann in der Praxis in unterschiedlichen Reaktortypen eingesetzt werden.
Dieser ist in Perlenform oder nach mechanischer Zerkleinerung für den Einsatz in Festbettreaktoren und in
Rührreaktoren geeignet
Beim Einsatz als Festbett ist die Elastizität des Biokatalysators zu berücksichtigen. Bei hohem Differenzdruck
wird die Schüttung des Biokatalysators komprimiert. Diese nimmt unter vermindertem Differenzdruck wieder
das Ausgangsvolumen ein.
A b b. 5 zeigt den schematischen Aufbau der Meßapparatur. j
A b b. 6 zeigt den Druckverlust einer Schüttung aus perlförmigem Polyurethan mit Schaumstruktur.
A b b. 7 zeigt den Druckverlust einer Schüttung aus perlförmigem Polyurethan mit Gelstruktur.
A b b. 8 zeigt den Druckverlust an blockförmigem Polyurethan mit Schaumstruktur auf Basis der Handelstypen
I: Hypol FHP 3000. II: Hypol FHR 2000. HkFRL 2297.
A b b. 9 zeigt die Meßapparatur zur Aufnahme von Kraft-Zeit-Kurven.
A bb. 10 zeigt ein Kraft-Zeit-Diagramm einer Polyurethanperle auf Basis der Handelstype FHP 3000 unter
Belastung und Entlastung.
Aus den Abbildungen ergibt sich:
Die Schüttung aus perlförmigem Polyrethan in Schaumform wird durch den bei der Messung auftretenden
Differenzdruck nicht komprimiert
Die in A b b. 6 gezeigte Zunahme des Fließwiderstandes mit höherer Strömungsgeschwindigkeit muß daher als
Obergang vom laminaren zum turbulenten Fließen angesehen werden. Bei perlförmigen Polyurethangelen
kommt es nach A b b. 7 bei geringem Differenzdruck zur Kompression der Schüttung, so daß der Einsatz
vorzugsweise in gerührten Reaktionen erfolgt Polyurethanschaumstoff kann auch unzerkieinert als blockförmiger
Festbettreaktor eingesetzt werden. Nach dem Entfernen der nicht porösen Deckschicht gewährleistet die
offenzeilige Struktur einen Durchfluß, wie A b b. 8 zeigt In dieser Form ist der Biokatalysator für Reaktionen
geeignet, bei denen Gase entstehen. Die Reißfestigkeit des Polyurethans verhindert die Zerstörung des Trägers,
und die Schaumstruktur gestattet eine Gasabsonderung an einer großen Hläche. Durch die offenzellige Struktur
ist die Austragung der Gase aus dem Biokatalysator möglich.
Die Elastizität der Polyurethanschaumstoffe ist mit einer Kraftmeßapparatur nachgewiesen. Es wird dazu eine
Schaumstoffperle, d = 1 mm, auf einen Kraftaufnehmer gesetzt. Ein Stempel preßt mit konstanter Vorschubgeschwindigkeii
die Perle auf den Kraftaufnehmer. Die auf die Perle wirkende Kraft wird gemessen und als
Kraft-Zeit-Diagramm aufgezeichnet, wie A b b. 9 zeigt.
Ein Bruch des Materials macht sich durch eine zahnartige Diskontinuität im Diagramm bemerkbar. Das
Diagramm in A b b. 10 läßt keinen Bruch bei Belastung erkennen. Bei Entlastung wird vielmehr das ursprüngliche
Volumen wieder eingenommen, das Material ist vollständig elastisch.
Ausführungsbeispiel 1
Biokatalysator mit Schaumform
Biokatalysator mit Schaumform
Stufe 1:10 g hydrophiles Polyisocyanat,Typ»Hypol FHP 3000«, oder »Hypol FHP 2000«, oder Typ »FRL 2297«
(»Desmodur T 80« mit 9,9% NCO) werden mit 10 g Biofeuchtmasse Exoli ATCC 11 105, Wassergehalt 80
Gew.-%, eine Minute intensiv bei Raumieriipcräiüf gemischt. DaS mischungsverhältnis von enzymatisch
aktiver Suspension : flüssigem Polyisocyanat beträgt 1 :1 (g/g),
μ Stufe 2a: Das flüssige Reaktionsgemisch wird in ein Reaktionsgefäß gegossen, das etwa die fünffache Volumenmenge
der Reaktionsmischung fassen kann.
Die Reaktion verläuft ohne Veränderung des pH-Wertes etwa bei pH 7 ab. Es tritt für etwa 10 Minuten eine
Erwärmung des Reaktionsgemisches um höchstens 100C ein. Das bei der Reaktion frei werdende CO2 läßt
das Reakiionsgemisch aufschäumen. Nach 20 Minuten ist die Reaktion beendet. Es liegt ein enzymatisch
aktiver Schaumstoff als Biokatalysator vor. Dieser wird mechanisch auf die geforderte Korngröße zerkleinert.
Stufe 3: Der Biokatalysator wird 12 Stunden in physiologischer NaCl-Lösung bei Raumtemperatur gewaschen,
um anhaftendes CO2 zu entfernen.
Stufe 4: Der Biokatalysator wird abgetrennt und im feuchten Zustand ausgeführt Die Waschlösung wird
ausgeführt. Der erzeugte Biokatalysator wird einem Aktivitätstest unterworfen.
Der immobilisierte Mikroorganismus Exoli ATCC 11 105 enthält das Enzym Penicillin-G-Acylase. Es hydrolysiert
Penicillin G zu 6-Amino-Pennicillansäure und Phenylessigsäure (Phenylethansäure), 6-Amino-Pennicillansäure
dient als Ausgangsprodukt für semi-synthetische Penicilline.
Durch pH-Titration der bei der Reaktion freigesetzten Phenylessigsäure bei pH 7,8 und 37°C mit 0,01 NaOH
wird die Reaktionsgeschwindigkeit der enzymatischen Hydrolyse im Rührreaktor gemessen. Die Substratkonzentration
beträgt 2,5 g Penicillin G in 50 ml destilliertem Wasser (5%). Es werden 5 bis 10 ml zerkleinerter
Biokatalysator verwendet. Der Biokatalysator in Schaumform besitzt eine Konzentration von 0,08 g Biofeuchtmasse
(BFM)/ml Biokatalysator. Die Aktivität beträgt 13,3 η kat/mi Biokatalysator. Die Restaktivität beträgt
25%.
Ausführungsbeispiel 2
Perlförmiger Biokatalysator
45
45
Stufe 1: Es werden 15 g Biofeuchtmasse des Mikroorganismus Ecoli ATCC 11 105, Wassergehalt 80 Gew.-%, in
10 ml destilliertem Wasser suspendiert und dann 1 Minute mit 25 g flüssigem hydrophilen Polyisocyanai,
Typ »Hypol FHP 3000« oder »Hypol FHP 2000«, oder »FRL2297« (»Desmodur T 80« mit 93% NCO)
gemischt. Das Mischungsverhältnis enzymatisch aktiver Substanz: flüssgem Polyisocyanat beträgt 1 :1
so (g/g).
Stufe 2b: Das flüssige Reaktionsgemisch wird in ein Becherglas mit 21 dünnflüssigem Paraffin mit einer dynamischen
Viskosität bei 25" C von 0,02 Pa · s gegossen und mit einem Blattrührer mit etwa 4000 U/min gerührt.
Die Reaktionszeit beträgt 30 Minuten. Es werden kugelförmige Teilchen mit einer Korngrößenverteilung
von 03 bis 3 mm erzeugt, die aus Polyurethan in Schaumform bestehen,
55 Der Biokatalysator wird von dem Paraffin abgetrennt und dieses in das Verfahren zurückgeführt
55 Der Biokatalysator wird von dem Paraffin abgetrennt und dieses in das Verfahren zurückgeführt
Stufe 3: Der Biokatalysator wird 12 Stunden in physiologischer NaCl-Lösung bei Raumtemperatur gewaschen,
um anhaftendes CO2 zu entfernen.
Stufe 4: Der Biokatalysator wird abgetrennt und im feuchten Zustand ausgeführt Die Waschlösung wird
ausgeführt Der erzeugte Biokatalysator wird einem Aktivitätstest unterworfen. Es werden folgende Werte
ermittelt:
Konzentration 0,01 g BFM/ml Katalysator
Aktivität 43 η kat/ml Katalysator
Restaktivität 14%.
Ausführungsbeispiel 3
Biokatalysator mit Gelform
Biokatalysator mit Gelform
Stufe 1:30 g Polyisocyanat, Typ »FRL 2235«, (Desmodur T 80 mit 3,6 Gew.-% NCO), wird bei Raumtemperatur 5
mit einer wäßrigen Suspension von +50C mit einem Gehalt von 20 g E.coli ATCC 11 105 mit einem
Wassergehalt von 80% in 150 g destilliertem Wasser intensiv etwa 100 Sekunden gemischt. Das Mischungsverhältnis
enzymatisch aktive Substanz : flüssigem Polyisocyanat beträgt 5,67 :1 (g/g).
Stufe 2a: Das flüssige Reaktionsgemisch wird in ein Reaktionsgefäß gegossen. Das bei der Reaktion entstehende
CO2 wird vollständig in Wasser gelöst Es entsteht ein massives Gel. Die Reaktion ist nach 10 Minuten 10
beendet. Das entstandene Gel wird mechanisch zerkleinert
Stufe 3: Der Biokatalysator wird 12 Stunden in physiologischer NaCl-Lösung bei Raumtemperatur gewaschen
um anhaftendes CO2 zu entfernen.
Stufe 4: Der Biokatalysator wird abgetrennt und im feuchten Zustand ausgeführt. Die Waschlösung wird
ausgeführt. 15
Die Abbildungen zeigen
A b b. 1 Dtchte des Polyurethans in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis Wasser : Polyisocyanat bei dem
hiandelsprodukt »Hypol FHP 3000«, 20
Abb.2 Dichte des Polyurethans in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis Wasser :Polyisocyanat bei dem
Handelsprodukt »FRL 2297«,
A b b. 3 Temperaturverlauf in 10 g Reaktionsgemisch aus 5 g »Hypol FHP 3000« und 5 g Wasser,
.Abb.4 Dichte von Polyurethan in Abhängigkeit vom Druck während der Reaktion am Beispiel »Hypol
FHP 3000«. Mischungsverhältnis g H2O. :g Polyisocyanat = ! : 1. 100 kPa entspricht dem Normal- 25
druck,
A b b. 5 Schematischer Aufbau der Meßapparatur. Pumpe (1); Strömungsmengenmesser (2); Ventil (3); Manometer
(4); Schüttung (5); Wassergefäß (6);
A b b. 6 Druckverlust einer Schüttung aus perlförmigem Polyurethanschaumstoff,
A b b. 7 Druckverlust einer Schüttung aus perlförmigem Polyurethangel, 30
A b b. 8 Druckverlust an blockförmigem Polyurethanschaumstoff:
I = »Hypol FHP 3000«;
II = »Hypol FHR 2000«;
III = »FRL 2297«.
A b b.9 Meßapparatur zur Aufnahme von Kraft-Zeit-Kurven Schreiber (1); Meßverstärker (2); Stempel (3); 35
Kraftmeßdose (41
A b b. 10 Kraft-Zeit-Diagramm einer Polyurethanperle aus »Hypol FHP 3000« unter Belastung und Entlastung.
A b b. 10 Kraft-Zeit-Diagramm einer Polyurethanperle aus »Hypol FHP 3000« unter Belastung und Entlastung.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentansprüche:1. Verfahren zur Herstellung von hydrophilen, gelförraigen Biokatalysatoren mit hoher Beladung an enzymatisch aktiver Substanz durch Polymereinschluß ganzer Zellen oder von Zellfragmenten unter Ver-Wendung von flüssigem, hydrophilem Polyisocyanat, gekennzeichnet durch folgende Stufen:1) Mischen einer wäßrigen Suspension ganzer Zellen oder von Zellfragmenten mit einem Feststoffg^halt bis 30 Gew.-°/o mit flüssigem Polyisocyanat mit einem NCO-Gehalt von 3,6 Gew.-% im Mischungsverhältnis wäßrige Phase : flüssiges Polyisocyanat von 0,3 :1 bis 7 :1 (g/g),ίο 2a) Eingießen des noch flüssigen P.eaktionsgemisches in ein Reaktionsgefäß und Reaktion zur Bildung eines enzymatisch aktiven, hydrophilen Polyurethan-Netzwerkes in Blockform mit physikalischem Einschluß der ganzen Zellen oder Zellfragmente bei einer Reaktionstemperatur unter 10° C oder
2b) Eingießen des noch flüssigen Reaktionsgemische-^ in dünnflüssiges Paraffin und Reaktion zur Bildung eines enzymatisch aktiven, hydrophilen Polyurethan-Netzwerkes als perlförmige Teilchen mit physikalischem Einschluß der ganzen Zellen oder Zellfragmente bei einer Reaktionstemperatur unter 10 C13) Waschen der Biokatalysatormasse mit Wasser oder physiologischer Salzlösung oder Neutralisation mit verdünnter, alkalischer Lösung zur Entfernung anhaftender CO^Mengen,4) Abtrennung der Waschlösung und Ausführen des feuchten Biokatalysators.
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DE2929872A DE2929872C2 (de) | 1979-07-24 | 1979-07-24 | Verfahren zur Herstellung von hydrophilen, gelförmig oder geschäumten Biokatalysatoren mit hoher Beladung an enzymatisch aktiver Substanz |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2929872A DE2929872C2 (de) | 1979-07-24 | 1979-07-24 | Verfahren zur Herstellung von hydrophilen, gelförmig oder geschäumten Biokatalysatoren mit hoher Beladung an enzymatisch aktiver Substanz |
Publications (2)
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DE2929872A1 DE2929872A1 (de) | 1981-03-12 |
DE2929872C2 true DE2929872C2 (de) | 1985-10-31 |
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1979
- 1979-07-24 DE DE2929872A patent/DE2929872C2/de not_active Expired
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