DE3130178A1

DE3130178A1 - Verfahren zur herstellung von agglomerierten, faserigen ionenaustausch-zellulose-verbundkoerpern

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Publication number: DE3130178A1
Application number: DE19813130178
Authority: DE
Inventors: Richard L. Antrim; Louis S. 1137 Clinton Iowa Hurst
Original assignee: Standard Brands Inc New York NY; Standard Brands Inc
Current assignee: Danisco Finland Oy
Priority date: 1980-10-08
Filing date: 1981-07-30
Publication date: 1982-05-13
Also published as: ES504704A0; AU7467381A; GB2085449B; IT1153989B; NL189300B; FI67560B; ES8204306A1; YU242481A; SU1759234A3; PT73653A; FR2491483B1; YU41991B; GB2085449A; BG45218A3; BR8105458A; NZ198572A; FR2491483A1; NL8103620A; NL189300C; SE8105926L

Description

HOFFMANN

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197Ä) · DIPL.-ING. W. EITLE - D R. RER. N AT. K. H O FFMAN N . D I PL.-I N G. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 MDNCH EN 81 :.'TELEFON (08?) »11087 · TELEX 05-29619 (PATH E)

.3.5. 273 o/wa

STANDARD BRANDS INCORPORATED, NEW YORK, N. Y. / USA

Verfahren zur Herstellung von agglomerierten, faserigen Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörpern

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von agglomeriertem faserförmigem lonenaustausch-Zellulose-Verbundkörpern. Sie betrifft insbesondere ein v/irksameres Verfahren zur Herstellung solcher Verbundkörper, die eine grössere lonenaustauschkapazität haben als solche, die nach dem Stand der Technik hergestellt worden sind.

Bei der Nahrungsmittelverarbeitung und anderen technischen Anwendungen hat man bei der Verwendung von mikrobiellen oder Pilzenzymen, die auf inerten Trägern adsorbiert oder gebunden sind und dann einen immobilisierten biologischen Katalysator bilden, die älteren Methoden, bei denen lösliche. Enzyme oder ganze Zellen von Mikroorganismen angewendet wurden, verdrängt. Im allgemeinen ergibt die Verwendung von

immobilisierten Enzymen eine Reihe merklicher Vorteile gegenüber den älteren Methoden. Der Hauptvorteil besteht darin, dass man immobilisierte Enzyme in kontinuierlichen .Umwandlungsverfahren verwenden kann. Auf diese Weise wird eine wirksamere Verwendung des Enzyms erzielt und die Kontaktzeit zwischen dem Enzym und dem Substrat wird vermindert, wodurch man eine verbesserte Produktqualität und eine Verringerung der Enzym-Verfahrenskosten bewirkt.

Obwohl die nachfolgende Beschreibung und die Beispiele hauptsächlich auf die Verwendung von agglomerisierter faseriger Ionenaustausch-Zellulose gerichtet ist, um Glukoseisomerase zu adsorbieren und zu immobilisieren, ist davon auszugehen, dass das agglomerisierte Material die Fähigkeit hat, andere Enzyme, aufgegebene Markomoleküle, wie andere Proteine, Nukleinsäure und dergleichen, zu adsorbieren und weiterhin auch dazu geeignet ist, die Moleküle von einer Vielzahl von Substanzen, wie Nahrungsmittelab fall strömen, wiederzugewinnen, z.B. bei der Wiedergewinnung von Protein aus Molke, FleischverarbcitungssLrömcn und Gemüseverarbeitungsströmen, sowie hei der Verminderung von BOD aus Abfallströmen, etc..

Wegen der bei der Herstellung von Glukoseisomerase vorhandenen wirtschaftlichen Fragen ist es ausserordentlich wichtig, die Isomerase unter solchen Bedingungen anzuwenden, dass eine maximale Ausbeute an Fruktose unter Anwendung von minimalen Mengen des Enzyms gebildet wird. Weiterhin sollen die Bedingungen für die Isomerisierung so sein, dass minimale Mengen an störenden Nebenprodukten gebildet werden,.

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In den vergangenen Jahren sind wirtschaftlichere Methoden zur Herstellung von Fruktose enthaltenden Lösungen unter Verwendung von an inerten Trägermaterialien gebundener oder immobilisierter Glukoseisomerase angewendet worden. Zu solchen Materialien gehören verschiedene polymere Substanzen/ wie derivatisierte Zellulose, Ionenaustauschharz^ und synthetische Fasern, Glas, sowie unlösliche organische oder anorganische Verbindungen. Glukoseisomerase ist auch bereits eingekapselt oder in geeignete Materialien eingehüllt worden, aber solche Zubereitungen haben den Nachteil, dass man sie im allgemeinen nicht wiederverwenden kann.

Zellulose kommt in der Natur als lineares Polymeres aus Anhydroglukosecinheiten, die durch ß-1,4-glykosidische .Bindungen verbunden sind, vor. Jede Anhydroglukoseeinheit enthält drei freie Hydroxylgruppen, die mit geeigneten Reagentien unter Bildung von unlöslichen Zellulosederivaten reagieren können, die dann aufgrund ihrer relativen Inertheit, ihrer grossen Oberfläche und der offenen porösen Struktur eine hohe Adsorptionsfähigkeit und Ionenaustauschfähigkeit für Proteinmoleküle aufweisen.

Die Herstellung und Verwendung von Ionenaustausch-Enzym-Adsorbentien aus Zellulose ist bekannt. Peterson und Sober, J.A.C.S. 28/ 751 (1956) und Guthrie und Bullock, I/EC, 52, 935 (1960) beschreiben Verfahren zur Herstellung von adsorpt-ivcn ZcI luloscprodukten, die bei der Trennung oder Reinigung von Enzymen und anderen Proteinen verwendet werden können. Tsumura et al, Nippon Shokuhin Kogyo Gakkaishi, J_4'(12), (1967), beschreiben das Binden von Glukoseisomerase an DEAE-Sephadex.

Aus US-PS 3 708 397 ist es bekannt, Glukoseisomerase an basische Anionenaustausch-Zellulose zu immobilisieren. Gemäss US-PS 3 823 133 werden kationische Zelluloseether mit hoher Adsorptionsfähigkeit für Enzyme und andere proteinhaltige Materialien hergestellt. US-PS 3 838 007 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Enzymen in feinteiliger Form. US-PS 3 788 945 und 3 909 354 beschreiben kontinuierliche Verfahren zum Umwandeln von Glukose in Fruktose durch Durchleiten einer glukosehaltigen Lösung durch ein Fest- oder Wirbelbett, enthaltend Glukoseisomerase, gebunden an verschiedene Zelluloseprodukte. US-PS 3 947 325 betrifft die Herstellung von zellulosehaltigen eingehüllten Enzymmaterialien. Die Zellulose wird aus einer Emulsion, enthaltend eine wässrige Enzymlösung und Nitrozellulose, gebildet. US-PS 3 956 065 betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Umwandlung von Glukose in Fruktose, wobei eine glukosehaltige Lösung durch ein Bett aus einem Zellulosederivat mit darauf befindlicher immobilisierter Glukoseisomerase und nichtporösen oder granulären Polystyrolperlen geleitet wird. Die Perlen verhindern ein Zubacken und eine Kanalbildung des Bettes, wenn man sie in Fliessreaktoren anwendet. Peska et al beschreibt in einem Aufsatz "Ion Exchange Derivatives of Bead Cellulose" in "Die Angewandte Makromolekulare Chemie", 53, S. 73-80, (1976), verschiedene derivatisierte Zellulosen, die in Perlenform hergestellt wurden.

US-PS 4 110 164 und US-PS 4 168 250 befassen sich mit agglomerierten faserigen Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörpern und Verfahren zu deren Herstellung. Bei diesen Verfahren wird ein hydrophobes Polymer mit faseriger Zellulose, die zuvor zur Verleihung von Ionenaustauscheigenschaften

derivatisiert worden ist, kombiniert. Obwohl solche Verbundkörper in zahlreichen Anwendungen ein befriedigendes Verhalten zeigt, ist deren Ionenaustauschfähigkeit und Fähigkeit, Glukoseisomerase zu adsorbieren und zu binden", noch nicht ausreichend gross. Ausserdem ist die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren ungünstig und die Verbundkörper sind deshalb teuerer als erwünscht.

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von agglomerisierten faserigen Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörpern, bei denen ein verhältnismässig grosser Anteil der Zellulose in freier Form vorliegt, um aufgegebene Markomoleküle zu adsorbieren. Man stellt ein Agglomerat aus faseriger Zellulose und einem hydrophoben Polymer her, worauf man dann die Zellulose derivatisiert, um Ionenaustauschexgenschaften zu verleihen.

Der Ausdruck "faserig" wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf Zellulose aus natürlichen Quellen, die memechanisch oder chemisch zerkleinert oder zerfasert wurde und schliesst nicht Zellulose oder deren Derivate ein, die einer chemischen Behandlung unterworfen wurden und bei denen die natürliche Faserstruktur der Zellulose gelöst worden ist, wie dies der Fall ist, wenn man Zellulose zu · einem hohen Substitütionsgrad derivatisiert.

Faserige Zellulose kann man unter Bildung von Ionenaustauschmaterialien mit hoher Beladungskapazität hinsichtlich des Adsorbierens oder Immobilisierens voii Makromolekülen derivatisieren. Zu diesem Zweck kann man die Zellulose

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A *

derivatisieren, um Ionenaustauschmaterialien zu erhalten, die entweder als Anionenaustauscher oder als Kationenaustauscher wirksam sind, je nach der Ladung des zu adsorbierenden Materials. Ist das zu adsorbierende Material Glukoseisomerase, dann wird die Zellulose vorzugsweise so derivatisiert, dass sie in Anionenaustauschform vorliegt, weil in dieser Form die Beladungskapazität für dieses Enzym extrem gross ist. Typischerweise behandelt man für die Herstellung der Anionenaustauschform agglomerisierte faserige Zellulose mit geeigneten Reagentien, um, unter anderem, Di- und Triethylaminoethylzellulosen, wie DEAE-Zellulose und TEAE-Zellulose, zu erhalten, sowie Zellulosederivate von Epichlorhydrin und Triethanolamin, wie ECTEOLA-ZeIlulose. Nähere Einzelheiten hierzu und Verfahren zum Derivatisieren von Zellulose können US-PS 3 823 133 entnommen werden.

Aufgrund der hohen Beladungskapazität der faserigen Ionenaustausch-Zellulose-Zubereitungen, enthaltend Glukoseisomerase, kann man bei deren industrieller Anwendung verhältnismässigkleine Reaktoren anwenden, um grosse Mengen, Glukose in Fruktose umzuwandeln.

Wegen dieser hohen Beladungskapazität werden das Substrat und das gebildete Produkt nur eine kurze Zeit unter Ir>o-merisierungsbedingungen gehalten. Bei diesen Isomerisierungsbedingungen bilden sich im allgemeinen geringe Mengen an nichtgewünschten Nebenprodukten aufgrund der reaktiven Art der Fruktose und deshalb werden, je langer der Zeitraum ist, während der die Fruktose unter solchen Bedingungen gehalten wird, umso grössere Mengen an unerwünschten Nebenprodukten gebildet. Die hohe Beladungskapazität von

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faseriger lonenaustausch-Zellulose bewirkt, dass das Substrat innerhalb einer kurzen Zeit im gewünschten Masse isomerisiert wird und dadurch kann man die Zeit, während" welcher die Fruktosekomponente unter Isomerisierungsbedingungen gehalten wird, abkürzen. Zubereitungen, die faserige Ionenaustausch-Zellulose enthalten, haben jedoch den Nachteil, dass sie zubacken und deshalb wendet man sie im allgemeinen in flachen Betten an, um die Probleme, die aufgrund eines zu grossen Rückdrucks auftreten, zu vermetdon. Selbst wenn man flache Betten anwendet, bestellt die Möglichkeit der Kanalbildung, wobei das Substrat nicht im gewünschten Masse mit der gebundenen oder immobilisierten Glukoseisomerase in Berührung kommt. Zwar hat man gewisse immobilisierte Glukoseisomerasezubereitungen hergestellt, um diese Probleme zu minimalisieren, aber diese haben im allgemeinen andere Nachteile, z.B. dass deren Enzymkapazität oder Aktivität pro Volumeneinheit nicht ausreichend gross sind und/oder dass sie nicht so wirtschaftlich sind wie faserige lonenaustausch-Zellulose.

Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung kann man eine Anzahl von Polymeren verwenden, um die faserige Zellulose zu agglomerisieren. Beispiele hierfür sind Melamin-Formaldehydharze, Epoxyharze, Polystyrol und dergleichen. Bevorzugtes Polymer ist Polystyrol.

Aus US-PS 4 110 164 und 4 161 250.ist es bekannt, dass dann, wenn man faserige Zellulose, die zur Bildung eines lonenaustauschmaterials derivatisiert worden ist, mit einem hydrophoben Polymer unter geeigneten Bedingungen agglomerisiert, solche Zellulose ihre Kapazität, Glukoseisomerase zu immobilisieren oder zu binden, beibehält.

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Dort wird als bevorzugtes Verfahren für die Herstellung von Verbundkörpern beschrieben, Alkalizellulose mit einer Lösung von Diethylaminoethylchlorid'Hydrochlorid (DEC) zu behandeln und dann die so gebildete derivatisierte Ionenaustauschzellulose mit Polystyrol zu agglomerisieren. Aufgrund der Löslichkeit von Polystyrol in dem DEC-Reaktionsgemisch, kann man jedoch vorhersehen, dass die Zellulose nicht ausreichend derivatisiert werden könnte, wenn die Agglomerate vor der Derivatisierung der Zellulose gebildet werden.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass man faserige Zellulose wirksam in Gegenwart von hydrophoben Polymeren derivatisieren kann, wenn man kontrollierte Verfahrensbedingungen während der Derivatisierung, nämlich solche, die verhindern, dass das Polymer in der Derivatisierungslösung gelöst wird, anwendet. Es wurde gefunden, dass durch Zugabe des derivatisierenden Materials in einer kontrollierten Rate zu einer Wassersuspension des Agglomerats unter alkalischen Bedingungen,die hydrophobe Folymerkomponentn des granulären Verbundstoffes nicht in merklichem Masse solubilisiertwird.

Eine weitere unerwartete Feststellung besteht darin, dass beim Derivatlaiorun von 7,i-.\ 1 u"lcn;e und nnsc-hl i ariKcncicni Agglomerisieren der Zelluloiju-Verbundkörper in einem höheren Masse derivatisiert werden kann und daher eine grössere Ionenaustauschkapazität aufweist, als agglomerisierte Zellulose-Verbundkörper, die nach den Verfahren des Standes der Technik hergestellt wurden, bei denen die Zellulose vor der Agglomerisierung derivatisiert wurde. Zwar können die Ionenaustauschkapazitäten der agglomerisierten,

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faserigen Zellulose-Verbundkörper gemäss der Erfindung in einem grossen Masse variieren, aber typische Ionenaustauschkapazitäten sollen wenigstens etwa 0,1 mäq/g und vorzugsweise wenigstens etwa 0,2 mäq/g betragen (mäq = Milliäquivalent).

Die agglomerisierten faserigen Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörper gemäss der Erfindung können auch regeneriert werden, d.h., dass dann, wenn die Aktivität der immobilisierten Glukoseisomerase aufgrund von Denaturisierung oder aus anderen Gründen nach längerem Gebrauch abfällt, eine Lösung aus immobilisierter Glukoseisomerase in Berührung mit einem Bett oder eine Säule des Verbundkörpers gebracht werden'kann, so dass die Glukosexsomeraseaktivität wieder auf den gewünschten Grad erhöht wird. Vor der Regenerierung ist es jedoch im allgemeinen bevorzugt, den Verbundkörper mit einer Lösung aus Alkali zu behandeln, um die Ionenaustauschstellen der faserigen Zellulose leichter der Isomeraseadsorption zugängig zu machen. Ohne eine bestimmte Theorie hinsichtlich des Mechanismus festlegen zu wollen, ist anzunehmen, dass die Substratüberreste denaturisierte Isomerase oder andere proteinhaltige Materialien, die an der faserigen Zellulose festgehalten wurden, entfernt werden oder in Lösung gehen.

Wird faserige Zellulose vor der Agglomerisierung derivatisiert, dann neigen die bei der Derivatisierungsreaktion verwendeten Materialien dazu, die Zellulose anzuquellen oder diese teilweise zu solubilisieren und sind dann schwierig durch Filtrieren zu gewinnen. Die Gewinnung des erfindungsgemässen Verbundkörpers wird durch die Tatsache vereinfacht, dass ein eventuell eintretendes Quellen keine schwerwiegenden Filtrationsprobleme aufwirft und zwar

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aufgrund der granulären Art des derivatisierten Produktes. Da die granulären Zelluloseverbundkörper nicht die Schwierigkeiten ergeben hinsichtlich des Verbackens, kann man sie auch ohne Schwierigkeit in tiefen Bettreaktoren anwenden, wobei nur eine minimale Kanalbildung eintritt. -

Je nach dem spezifischen Gewicht des Substrates kann der agglomerisierte faserige Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörper auf diesem flotieren und es besteht dann die Möglichkeit, dass ein Teil des Verbundkörpers am Einlass oder Auslass des Säulenreaktors verlorengeht. Weiterhin können Probleme auftreten, wenn man die Säule zu Beginn mit dem Verbundkörper packt. In gewissen Fällen ist es deshalb bevorzugt, ein Verdichtungsmittel den agglpmerisierten faserigen Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörpern zuzusetzen, um deren Dichte zu erhlhen.

Man kann eine Vielzahl von Verdichtungsmittel anwenden, jedoch müssen diese selbstverständlich im wesentlichen inert gegenüber dem Substrat sein und sie dürfen die GIukoseisomerase nicht inaktivieren. Man kann Verdichtungsmittel, wie pulverisierte Metalloxide oder Silikate oder Gemische davon anwenden.

Zur Herstellung von agglomerisierten faserigen Verbundkörpern muss die faserige Zellulose in das hydrophobe Polymer derart eingebettet werden, dass die Zellulose nicht vollständig in dem Polymer eingekapselt oder eingehüllt wird. Anderenfalls würde die Kapazität der faserigen Ionenaustausch-Zellulose Enzyme zu adsorbieren, nachteilig beeinflusst werden. Je grosser die freie Oberfläche der

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Zellulose, umso grosser ist auch die Adsorptionskapazität des Verbundkörpers.

Man kann zahlreiche Verfahren anwenden, um die faserige Zellulose in dem hydrophoben Polymer, einzubetten, aber die beiden typischsten Verfahren bestehen darin, dass man das hydrophobe Polymer in einem organischen Lösungsmittel löst und die anderen Stoffe dann darin inkorporiert oder indem man das Polymer bis zum plastischen Zustand erwärmt und dann die anderen Materialien inkorporiert. Das letztere Verfahren wird bevorzugt, weil man dann kein Lösungsmittel verdampfen muss. Das gebildete Material kann dann durch' Mahlen und dergleichen zerkleinert werden und die Granulate kann man auf geeignete Siebgrössen klassifizieren, dann kann man die agglomerisierte faserige Zellulose derivatisieren.

Die Teilchengrössenverteilung der Granulate kann relativ weit variieren. Befriedigende Ergebnisse erhält-man bei Verwendung von Granulaten, die durch ein Sieb .Nr. 20 (US mesh screens) hindurchgehen und die von einem Sieb Nr. 60 (US mesh screens) zurückgehalten werden, also mit Teilchengrössen zwischen 0,841 und 0,250 mm.

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen näher beschrieben.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wird die Herstellung von agglomerisierten

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faserigen lonenaustausch-Zellulose-VerbundkÖrpern beschrieben, wobei die Zellulosekomponente in dem Verbundkörper nach der Agglomerierung derivatisiert wird.

Man stellt ein Agglomerat her, indem man 25 Teile Zellulose (Chemical grade C-100, hergestellt von der International Filler Corporation, North Tonawanda, N.Y., USA) mit.25 Teilen Aluminiumoxid mischt und die Mischung mit 50 Teilen Polystyrol auf einem auf 180 bis 200°C Zweiwalzenstuhl während etwa TO Minuten kompoundiert. Nach dem Abkühlen wird der Verbundkörper gemahlen und auf eine Teilchengrösse von 0,420 bis 0,149 mm (40 bis 100 mesh) zerkleinert.

220 g des zerkleinerten Verbundkörpers wurden in 616 ml Wasser, enthaltend 176 g Na₃SO₄ und 26,4 g NaOH, aufgeschlämmt. Die Aufschlämmung wurde auf 40°C erwärmt und dann wurden 57,2 g einer 50 %-igen wässrigen Lösung von DEC zu der Aufschlämmung unter Rühren in einer Menge von 0,7 ml/min während eines Zeitraums von 1 Stunde zugegeben. Anschliessend wurden zu der Aufschlämmung 26,4 g NaOH, gelöst in 26 ml Wasser, zugegeben und dann v/eitere 57,2 g DEC-Lösung in einer Menge von 0,7 ml/min.

Die Temperatur der Aufschlämmung wurde auf 6O⁰C erhöht und dabei 15 Minuten gehalten. Eine Wassermenge, die ungefähr gleich dem Volumen der Aufschlämmung war, wurde zugegeben und der Verbundkörper wurde auf einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,250 mm (60 mesh) gewonnen. Der Verbundkörper wurde auf dem Sieb mit Wasser gewaschen und dann in einer Volumenmenge Wasser, die der zuvor zugegebenen entsprach, noch einmal aufgeschlämmt. Diese

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Aufschlämmung wurde mit HCl auf einen pH von etwa 7 eingestellt, auf Filterpapier entwässert und getrocknet.

Die Ionenaustauschkapazität des getrockneten Produktes wurde mit 0,84 mäg/g, bezogen auf die Zellulose, und mit 0,21 mäq/g, bezogen auf den agglomerisierten Verbundkörper ,gemessen.

Die Ionenaustauschkapazität des Verbundkörpers wurde nach folgendem Verfahren bestimmt:

(1) Abwägen von 20 g derivatisierter, agglomerisierter Zellulose (5 bis 10g Zellulosebase).

(2) Aufschlämmen in Wasser und Einstellen des pH-Wertes auf 12,5 bis 13 mit 1N NaOH.

(3) ' Waschen der Aufschlämmung in einer chroriiätografischen Säule und Auflegen einer porösen Scheibe auf den oberen Teil des Bettes.

(4) Zugabe von annähernd 10 ml 1N NaOH auf die Säule, wobei man bis zu dem Niveau der Scheibe tropfenweise ablaufen lässt, worauf man die Säule dann mit einer Wasserflasche spült und bis zur Scheibe ablaufen lässt. .

(5) Waschen mit dem etwa 6-fachen Bettvolumen Wasser unter Anwendung von annähernd 2 Bettvolumina zum Spülen. Dabei lässt man bei jeder Spülung den Kopf bis zum oberen Ende der Scheibe ablaufen.

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(6) Zugabe von 25 ml 1N HCl auf den oberen Teil des Bettes und Spülen mit etwa 10 ml Wasser aus einer Waschflasche. Der Abfluss wird tropfenweise etwa nach 1 bis.1,5 ml/min neu gesammelt. Dann wird wiederum mit der Waschflasche abgespült, bis das Kopfniveau die Scheibe erreicht,

(7) Waschen mit annähernd 6 Bettvolumina wie in Stufe (5).

(8) Titrieren des Abflusses auf pH 7,0 mit 1N NaOH Die Ionenaustauschkapazitat wird wie folgt berechnet:

Ionenaustauschkapazität _ (ml HCl χ N) - (ml NaOH χ N) (mäq/g, d.b.) ~ g Adsorbens, d.b.

In Beispiel 1 lässt sich errechnen, dass das Verhältnis von Derxvatisierungsmittel (DEC) zu Zellulose 1,04 auf Trockengewichtsbasis beträgt, wogegen beim Stand der Technik gemäss US-PS 4 110 164, bei dem die Zellulose voider Agglomerisierung derivatisiert wurde, ein DEC zu Zelluloseverhältnis von 0,7 vorlag. Dieser Wert stellt annähernd den Maximalwert dar, bis zu dem man ohne Schwierigkeiten in herkömmlicher Weise nichtagglomerisierte Zellulose derivatisieren und gewinnen kann.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wird ein Verfahren zum Herstellen

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eines agglomerisierten faserigen Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörpers beschrieben, bei dem man die Zellulose nach dem Agglomerisieren mit einem DEC-zu-Zellulose-Verhältnis von mehr als 2 derivatisiert.

Ein agglomorisiortor Verbundkörper/ hergestellt gemäss Beispiel 1, wurde auf eine Grosse von 0,420 bis 0,177 mm (40 bis 80 mesh) zerkleinert. 100 g des zerkleinerten Verbundstoffes wurden in 280 ml Wasser, in welchem 80 g Na₂SO. und 24 g NaOH gelöst waren, aufgeschlämmt. Die Aufschlämmung wurde auf eine Temperatur von 40⁰C gebracht und dann wurden 55 g einer 50 %-igen DEC-Lösung unter Rühren in einer Menge von 0,5 ml/min während eines Zeitraums von etwa 1,5 Stunden zugegeben. Weitere NaOH (26 g einer 50 %-igen Lösung) wurden zu der Aufschlämmung gegeben und dann wurden weitere 55 g DEC-Lösung in die Aufschlämmung, wie bei der ersten Zugabe, zudosiert* Das Reaktionsgemisch wurde auf 60°C erwärmt und bei dieser Temperatur 15 Minuten gehalten. Eine Volumenmenge Wasser, die gleich dem Aufschlämmungsvolumen war, wurde zugegeben und die verdünnte Aufschlämmung wurde auf einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,250 mm (60 mesh) entwässert und gewaschen. Das Produkt wurde nochmals in Wasser aufgeschlämmt, mit HCl auf einen pH von etwa 6,5 bis 7,0 eingestellt und dann gesiebt und gewaschen, wie oben angegeben.

Die Ionenaustauschkapazität des getrockneten Verbundkörpors wurde nach der obigen Verfahrensweise bestimmt und betrug 1,28 mäq/g auf auf Zellulosebasis und 0,32 mäq/g auf Verbundkörperbasis. Um eine vergleichbare Ionenaustauschkapazität unter Anwendung des Verfahrens des Standes der Technik zu erzielen, bei dem man derivatisierte

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DEAE-Zellulose mit Polystyrol agglomerisert, wäre ein Derivatisierungsgrad erforderlich, bei dem die Zellulose gelatinös würde und sehr schwer gewonnen, filtriert und ' getrocknet werden könnte, ohne kostspielige Behandlungen, wie die Verwendung von Lösungsmitteln oder Salzlösungen oder Vernetzen der Zellulose.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wird die Absorptionskapazität von Glukoseisomerase auf den vorher beschriebenen agglomerisierten faserigen lonenaustausch-Zellulose-Verbundkörpern und auf solchen des Standes der Technik beschrieben und ein Vergleich der Eigenschaften in den funktionellen Eigenschaften der Verbundkörper gezeigt.

Glukoseisomerase aus einem Mikroorganismus einer Streptomyces-Spezies mit einer Aktivität von etwa 20 IGIU ml/1 wurde zu gleichen Gewichtsmengen des gemäss US-PS 4 110 und gemäss den vorhersehenden Beispielen 1 und 2 hergestellten Verbundkörpern gegeben. Die Enzym-Verbundkörper-Auf schlämmungen wurden auf einen pH von 7 eingestellt und 5 Minuten bei 25 C gerührt. Die Verbundkörper wurden durch filtrieren gewonnen und die Menge des darauf absorbierten Enzyms wurde bestimmt, indem man die Restglukoseisomeraseaktivität in den jeweiligen Filtraten nach der Methode von N.E. Lloyd et al, Cereal Chem., Bd. 49(5), S. 544 (1972) , anwendete.

Die Menge an Glukoseisomerase, die von den einzelnen

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Verbundkörpern adsorbiert wurde, und Daten, aus denen die funktionellen Eigenschaften hervorgehen, werden in Tabelle 1 gezeigt.

	Tabelle	1	Ionenaus- tauschka- pazität (itiäq/g)	adsorptive Ka pazität (IGIU/g)
			0,21 0,32 0,14	490 . 690 361
Verbundkörper	Verhältnis (Gew./Gew.) DEC-Zellu- lose
Beispiel 1 Beispiel 2 US-PS 4 110 164	1 ,04 2,2 0,7

Beispiel 4

In diesem Beispiel werden die porösen Eigenschaften von agglomerisierten faserigen Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörpern, die erfindungsgemäss hergestellt worden sind, gezeigt und die Fliesseigenschaften solcher Verbundkörper werden mit solchen des Standes der Technik und mit gewissen nichtagglomerisierten faserigen Zelluloseprodukten verglichen.

Die porösen Eigenschaften der folgenden Materialien wurden bestimmt:

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(1) a+b Vernetzte Whatman-Zellulose, hergeste] It von W & R Baiston Ltd., England.

(2) Nichtvernetzte DEAE-Zellulose (hergestellt gemäss US-PS 3 823 133) .

(3) Verbundkörper, hergestellt durch Agglomerisieren von faseriger Ionenaustausch-Zelluiöse und Polystyrol (hergestellt gemäss US-PS 4 110 164).

(4) Verbundkörper, hergestellt gemäss Beispiel 1. (5) Verbundkörper, hergestellt gemäss Beispiel 2.

Eine Porositätskonstante wurde für die obigen Stoffe nach folgendem Verfahren bestimmt:

15 bis 75 g Trockenprodukt wurden in Wasser aufgeschlämmt und die Aufschlämmung wurde unter Rühren im Vakuum 15 Minutenentlüftet . ,Eine Glassäule (3,8 cm Innendurchmesser, 46 cm Länge - 1,5 inches, 18 inches), die mit einer porösen Glasscheibe und einem Hahn am Boden ausgerüstet war, wurden mittels eines Kautschukstopfens an einer Saugflasche befestigt. Die Flasche wurde an eine Vakuumquelle angeschlossen. Die entlüftete Aufschlämmung wurde in die Säule gegeben und ein Vakuum (12,3 psi unter Atmosphnrcndruck) wurde durch die Öffnung des Absperrhahns angelegt, wodurch ein Bett des Materials auf der porösen Glasscheibe gebildet wurde. Gleichzeitig liess man Wasser am oberen Teil der Säule einlaufen, welches das Wasser ersetzte, das durch Filtrieren entfernt worden war, so dass während der gesamten Zeit etwa 12,5 cm Wasser (5 inches) oberhalb

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des Bettes vorlagen. Nachdem man eine Gesamtmenge von 1000 ml Wasser gesammelt hatte wurde der Sperrhahn geschlossen, dor Kolben entfernt und das Wasser aus dem Kolben herausgenommen. Dann wurde der Kolben wiederum an die Säule angeschlossen, das Vakuum wieder hergestellt und der Absperrhahn geöffnet und eine abgemessene Menge (1000 bis 3000 ml) Wasser wurde durch das gepackte Bett filtriert und gesammelt. Die zum Sammeln des Wassers erforderliche Zeit wurde mit einer Stoppuhr festgehalten. Die Porositätskonstante wurde nach folgender Gleichung bestimmt:

K = (VH) / (TPA) ,

worin bedeuten:

K: Porositätskonstante (ml-cm-g -min ) V: Volumen des gesammelten Wassers (ml) H: Höhe des gepackten Bettes (cm)

T: Zeit zum Sammeln des Wassers (min)

P: Druckabfall über dem Bett (g/cm )

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A: Querschnitt des Bettes (cm )

Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt.

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* -Ar if

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Tabelle 2

Material	Porositätskonstante (ml·cm·g~1 *min~^)
1 (a)	0,21
1 (b)	0,60
2	0,01
3	4,7
4	2,6
5	3,6

(1) eine Porositätskonstante von wenigstens 1,5 ml/cm/g/ min wird für erforderlich gehalten, um in einem tiefen Bettreaktor ein befriedxgendes Verhalten zu er-... zielen.

Claims

HOFFMANN · EITEE *«& I*AKTNl3It *" PATENTANWÄLTE DR.RER. NAT.K.HOFFMANN · Ol PL.-I N G. W. LE H N Dl PL. -I NG. K. FO CHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELIASTRASSE 4 · D-8000 MO NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATH E) 35. .2.73 o/wa STANDARD BRANDS INCORPORATED, NEW YORK, N.Y. / USA Verfahren zur Herstellung von agglomerierten, faserigen Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörpern PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Herstellen von agglomerisicrten faserigen Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörpern, die in der Lage sind, aufgegebene Makromoleküle zu adsorbieren öder zu binden, wobei eine faserige Zellulose mit Ionenaustauscheigenschaften mit einem hydrophoben Polymer agglomerisiert wird, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , dass man zunächst ein Agglomerat, aus einer faserigen Zellulose und einem hydrophoben Polymer bildet und dann die agglomerisierte faserige Ionenaustausch-Zellulose derivatisiert, um ihr Ionenaustauscheigenschaf ten zu verleihen.

2. Verfahren gemäss /Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das zugegebene Makromolekül

ein Enzym ist. ^

3. Verfahren gemäss Ansprüchen 1.oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die agglomerisierte
Zellulose derivatisiert wird, um ihr Ionenaustauscheigenschaf.ten zu verleihen.

4. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass die gebildete derivatisierte Zellulose DEAE-Zellulose ist.

5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , . dass das hydrophobe
Polymer Polystyrol ist.

6. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass der Verbundkörper ein Verdichtungsmittel enthält.

7. Verfahren gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsmittel ein
pulverförmiges Metalloxid, ein Silikat oder ein Gemisch davon ist.

8. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass das Agglomerat
hergestellt wurde, indem man die Zellulose in dem bis zum plastischen Zustand erwärmten Polymer kompoundiert,

9. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Agglomerisierung bewirkt wird, indem man eine Lösung des Polymers in einem organischen Lösungsmittel herstellt und die
Zellulose darin inkorporiert.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass man den Verbundkörper bis zu einer Teilchengrösse von 0,841 bis 0,250 mm (20 bis 60 mesh) zerkleinert.

11. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass das hydrophobe Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Melamin-Forraaldehydharzen, Epoxyharzen, Polystyrol und Gemischen davon. ·

12. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass die Ionenaustauschkapazität des Verbundkörpers wenigstens etwa 0,10 mäq/g, bezogen auf den trockenen Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörper, beträgt.

13. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass die Ionenaustauschkapazität des Verbundkörpers wenigstens etwa 0,20 mäg/g, bezogen auf den trockenen Ionenaustausch-Zellulose-Verbundkörper, beträgt.

14. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet , dass die faserige Zellulose in dem hydrophoben Polymer eingebettet ist.

15. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , dass das Makromolekül Glukoseisomerase ist.