DE3347512A1 - Vesicular separating, packing and support material - Google Patents

Vesicular separating, packing and support material

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Abstract

The invention relates to a novel type of particulate separating, packing and support material, which is principally usable in liquid chromatography, electrophoresis, ultrafiltration and in enzymatic and microbiological conversion of substances. The aim is the production and use of particulate separating, filling and support material which is distinguished by favourable mechanical properties and by a high intensity in the mass transport and/or substance conversion processes. From this is derived the object of developing a type of particulate separating, packing and support material having novel properties compared to the known porous solid particles. According to the invention the known porous solid particles are replaced in their use as separating, packing and support materials by thin-walled hollow bodies (vesicles) having a porous, potentially flexible and potentially hydrophillic solid cover enclosing an interior cavity. These hollow bodies are expediently living, killed or otherwise altered plant cells or microorganisms as single cells or associated in tissue.

Description

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Titel der Erfindung Vesikuläres Trenn-, Füll- und Trägermaterial Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein vesikuläres Trenn-, Füll- und Trägermaterial für die Stofftrennung, verwendbar bei der Flüssigchromatographie (Verteilungs-, Adsorptions-, Affinitäts-, Molektilsieb-, Ionenaustauschchromatographie ), Zentrifugetion, Ultrafiltration, Elektrophorese und Elektrofocussierung sowie für die enzymatische und mikrobiologische Stoffuendlung.Title of the invention Vesicular separating, filling and carrier material Field of application of the invention The invention relates to a vesicular separating, filling and carrier material for the separation of substances, usable in liquid chromatography (distribution, Adsorption, affinity, molecular sieve, ion exchange chromatography), centrifugation, Ultrafiltration, electrophoresis and electrofocusing as well as for the enzymatic and microbiological material development.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Als partikuläres poröses Trenn- Füll- und Trägermaterial für die angeführten Anwendungsgebiete werden Feststoffpartikein genutzt, die selbst mit bestimmten Komponenten der sie umgebenden flüssigen Phase in Wechselwirkung treten und je nach Art dieser Wechselwirkung (Adssorption, Ionenaustausch, quellung, Diffusion, spezifische Bindung, chemische Reaktion) bestimmte Komponenten der flüssigen Phase abzutrennen oder zu verändern gestatten (Hrapia, H.: Einführung in die Chromatographie, Akademie-Verlag Berlin 1977; Porath, J., Flodin, P.: Nature (London) 183, 1657(1959)). Die Trenneigenschaften bzw, die Reaktivität dieser Materialien wird in hohem Maße durch die Partikelgröße bestimmt, da sie entweder eine Funktion der spezifischen Oberfläche oder des diffusionskontrollierten Stoffaustausches mit dem Porenraum (innenphase) der Partikeln sind. Aus diesem Grunde besteht die Tendenz, sehr kleine Partikeln zu vernenden, deren Einsatz aber zusätzliche Probleme mit sich bringt, da die Verwendung kleinerer Partikeln den Strömungswiderstand entsprechend gepackt er Füllungen erhöht und die Abtrennbarkeit von der flüssigen Phase verschlechtert (Hrapia, H.: Einführung in die Chromatographie, Akademie-Verlag Berlin 1977; Kaiser, R.E., Oelrich, E.: Optimierung in der EPLC. Hüthig-Verlag, Neidelberg, New York, Basel, 1975). Sie werden mit hohem technischen Aufwand, z.B, in der Hochdruckflüssigkeitschrometographie (Eppert> G.: Einführung in die schnelle Flüssigchromatographie, Akademie-Verlag Berlin 1979) dberwunden.Characteristic of the known technical solutions As particulate porous separating, filling and carrier material for the stated areas of application Solid particles used, themselves with certain components of the surrounding ones liquid phase interact and depending on the type of this interaction (adsorption, Ion exchange, swelling, diffusion, specific binding, chemical reaction) To separate or modify components of the liquid phase (Hrapia, H .: Introduction to Chromatography, Akademie-Verlag Berlin 1977; Porath, J., Flodin, P .: Nature (London) 183, 1657 (1959)). The separation properties or the reactivity of these materials is determined to a large extent by the particle size, as they are either a function of the specific surface area or the diffusion-controlled one Exchange of substances with the pore space (inner phase) of the particles. For this reason, the Tendency to destroy very small particles, but their use creates additional problems brings with it, since the use of smaller particles, the flow resistance accordingly packed it increases fillings and worsens the separability from the liquid phase (Hrapia, H .: Introduction to Chromatography, Akademie-Verlag Berlin 1977; Kaiser, R.E., Oelrich, E .: Optimization in EPLC. Hüthig-Verlag, Neidelberg, New York, Basel, 1975). They are highly technical, e.g. in high pressure liquid chromatography (Eppert> G .: Introduction to Fast Liquid Chromatography, Akademie-Verlag Berlin 1979) conquered.

Ein prinzipieller Nachteil der bekannten porösen Feststoffpartikeln besteht darin, daß der gerüstbildende Feststoff durchgehend ist und im gesamten Partikelvolumen als Diffusionshindernis wirkt, außerdem die Sanipulation der Innenphase in starkem EaBe begrenzt. So wird die Zusammensetzung der inneren flüssigen Phase durch die Porengröße und die Art des Feststoffes eingeengt. Die Möglichkeiten des Volumenflusses zwischen Partikel und Flüssigkeit werden durch die Starrheit der Partikeln begrenzt. Bei vielen porösen Feststoffpartikeln kommt es bei uellungs. oder Entouellungsvorgängen zur Rißbildung in einer gepackten Säulenfüllung, was sich nachteilig auf die Gebrauchseigenschaften auswirkt. Auf Grund des Feststoffanteils ist die Dichte der Partikeln häufig weit größer als diejenige der Flüssigkeit.A fundamental disadvantage of the known porous solid particles consists in that the framework-forming solid is continuous and throughout Particle volume acts as a diffusion barrier, as does the sanipulation of the inner phase limited in strong EaBe. So will the composition of the inner liquid phase restricted by the pore size and the type of solid. The possibilities of the Volume flow between particle and liquid are determined by the rigidity of the Particles limited. In the case of many porous solid particles, uellungs. or decoelling processes to form cracks in a packed column filling, what has a detrimental effect on the properties of use. Due to the solid content the density of the particles is often far greater than that of the liquid.

Aus der Tatsache, daß die Partikeln ein durchgehendes Feststoffgerüst besitzen, ergibt sich ein bestimmter Eindesteinsatz an Ausgangsmaterial zu ihrer Herstellung.From the fact that the particles form a continuous solid structure own, there is a certain minimum input of starting material for their Manufacturing.

Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen universell einsetzbaren partikulären Trenn-, Füll- und Trägermaterials.Object of the invention The object of the invention is to provide a new universally applicable particulate separating, filling and carrier material.

Darlegung des Wesens der Erfindung Die Aufgabe besteht darin, einen neuen Typ von porösen par tikulären Trenn- Füll- und Trägermaterialien zu entwickeln, die die folgenden Vorteile einzeln oder in Kombination bec sitzen: - geringer Diffusionswiderstand im Inneren der Partikeln, - niedriger Feststoffanteil mit der Möglichkeit der Einstellung einer variablen Dichte, - gute Manipulierbarkeit und Austauschbarkeit der inneren flüssigen Phase, - Möglichkeit der Füllung mit Kolloiden oder Partikeln, - günstige Packungseigensohaften (Lontinuität, geringer Strömungswiderstand einer Säulenfüllung), - Vermeidung von Umpackungsvorgängen, Stabilität der Füllanordnung, - elastische und oder plastische Verformbarkeit der PartikeIn, - gute Pelletierbarkeit der Partikeln, - gute Eignung als Trägermaterial für Enzyme, Latalys&toren oder Stoffe mit spezifischen Bindungseigenschaften, - Eigenschaften wie Ionenaustausch, Permselektivität, sasorption, die zur Trennung von Lösungsbestandteilen ausgenutzt werden können.Statement of the essence of the invention The task is to provide a to develop a new type of porous particulate separating, filling and supporting materials, which sit the following advantages individually or in combination: - low diffusion resistance inside the particles, - low solids content with the option of setting a variable density, - easy manipulation and interchangeability of the inner liquid phase, - possibility of filling with colloids or particles, - favorable Packing properties (continuity, low flow resistance of a column filling), - Avoidance of repackaging processes, stability of the filling arrangement, - elastic and / or plastic deformability of the particles, - good pelletability of the particles, - Good suitability as a carrier material for enzymes, catalysts or substances with specific binding properties - properties such as ion exchange, permselectivity, sasorption, which can be used to separate components of the solution.

Die Aufgabe wird gelöst, indem anstelle der bisher verwende ten porösen Feststoffpartikeln erfindungsgemäß dünnrandige Hohlkörper (Vesikeln) mit einer aus porösem Feststoff gebildeten Oberfläche eingesetzt werden. Die Erfindung beruht darauf, daß zur räumlichen Fixierung von Phasengrenzen in Flüssigkeiten dünne, poröse und möglicherweise flexible Hüllen geeignet sind, die einen inneren Wohlraum (Innenraum) umgeben, in den bestimmte Komponenten der äußeren Flüssigkeit penetrieren können. Flüssigkeitsgefüllte Hohlkörper (Vesikeln), die durch solche Hüllen gebildet werden, können als Trenn-, Füll- und Tragermaterial in ähnlicher Weise verwendet werden nie zahlreiche bekannte poröse Partikeln, die bisher Verwendung fanden, zeichnen sich aber durch spezifische Besonderheiten aus: - Sie bestehen im mit der Flüssigkeit gesättigten Zustand zum größten Teil aus einer einheitlichen flüssigen Phase und nur zum geringen Teil aus gequollener Fest substanz, die vorwiegend hüllenbildend ist. Hierdurch werden die in der Aufgabe formulierten Vorteile ermöglicht.The object is achieved by porous instead of the previously used According to the invention, solid particles have thin-edged hollow bodies (vesicles) with a porous solid surface formed are used. The invention is based on the fact that for the spatial fixation of phase boundaries in liquids thin, porous and possibly flexible envelopes are suitable, which have an inner comfort space (interior) surrounded, in which certain components of the external fluid can penetrate. Liquid-filled hollow bodies (vesicles) that are formed by such shells, can be used in a similar way as separating, filling and carrier material never draw numerous known porous particles previously used but are characterized by specific features: - You insist in with the liquid saturated state for the most part from a uniform liquid phase and only a small part of swollen solid substance, which is predominantly is shell-forming. This enables the advantages formulated in the task.

- Die DiffusionsbehinderuNg durch den Feststoff betrifft nur eine dünne poröse Hülle (membran mit permselektiven Eigenschaften).- The diffusion obstruction by the solid affects only one thin porous shell (membrane with permselective properties).

- Der Innenraum ist in hohem aße austauschbar und manipulierbar und kann durch nichtkompressible Flüssigkeit gefüllt werden, Dichteunterschiede zur äußeren Flüssigkeit können variiert werden.- The interior is to a large extent interchangeable and manipulable and can be filled by non-compressible liquid, density differences to external fluid can be varied.

- Da relativ große Partikeln mit hoher Aktivität des Stoffaustausches eingesetzt werden können, kann der Strömungswi derstand einer Packung aus derartigen Vesikeln bei guter Trennleistung bzw. Reaktivität gering gehalten werden.- As relatively large particles with high activity of the material exchange can be used, the flow resistance of a pack of such Vesicles can be kept low with good separation efficiency or reactivity.

- In Abhängigkeit von der Deformierbarkeit der Vesikelhülle können Massenströme der Flüssigkeit mechanisch erzeugt vgerden.- Depending on the deformability of the vesicle envelope can Mass flows of the liquid are generated mechanically.

Als vesikuläres Trenn-, Füll- und Trägermaterial sind erfindungsgemaß lebende, abgetötete oder zusätzlich veränderte pflanzliche Zellen oder Mikroorganismen (Einzelzellen, Zellaggregate oder Gewebeteile) geeignet. Diese Objekte ermöglichen auf Grund ihrer Geometrie und Abmessungen die Nutzung der Oberfläche als Grenzschicht zwischen mehreren Phasen (z.B. mobiler und stationärer), ihre Nutzung als Rezeptor und Re akt ionsort. Ihre Hülle besitzt hydrophilen und permselektiven Charakter sowie Ionenaustauschereigenschaften.According to the invention, vesicular separating, filling and carrier materials are used living, killed or additionally modified plant cells or microorganisms (Single cells, cell aggregates or tissue parts) are suitable. These objects enable the use of the surface as a boundary layer due to its geometry and dimensions between several phases (e.g. mobile and stationary), their use as receptors and reaction site. Their shell has a hydrophilic and permselective character as well as ion exchange properties.

Der Innenraum ist als manipulierbares Volumen nutzbar und je nach Behandlung beladbar mit Molekülen, Kolloiden, Org§-nellen und kleinen Zellen. Auch läßt sich die Lösung des Innenraums austauschen und abpressen. Die Eigenschaften der Hülle können über die flüssige Phase verändert werden.The interior can be used as a manipulable volume and depending on Treatment can be loaded with molecules, colloids, organs and small cells. Even the solution of the interior can be exchanged and pressed off. The properties the shell can be changed via the liquid phase.

AusführungsbeisPiel Die Erfindung soll nachstehend an zwei Beispielen erläutert werden.EXAMPLE OF EXAMPLE The invention is illustrated below using two examples explained.

Beispiel 1: Suspensionszellen von Beta vulgaris L. wurden als vesikulä re Feststoffpartikeln verwendet, nachdem sie in 2Toluol.Example 1: Beta vulgaris L. suspension cells were identified as vesicular re used solid particles after being in 2toluene.

lösung abgetötet und mit destilliertem Wasser gewaschen wurden. Der schematische Aufbau der Vesikeln ist Fig. 1 zu entnehmen. Sie bestehen aus der Hülle 1 (Zellwand), dem mit einer flüssigen Phase gefüllten Innenraum 2 und koagulierten Resten des Zellinneren 3.solution killed and washed with distilled water. Of the The schematic structure of the vesicles is shown in FIG. 1. They consist of the shell 1 (cell wall), the interior space 2 filled with a liquid phase and coagulated Remnants of the cell interior 3.

Charakteristische Größen: Vesikeldurohmesser : 50 ... 100 /um Dicke der Hülle 1 . 1 um Volomenanteil des Innenraumes 2 : oa, 70 ... 95 % Form der Vesikeln n näherungsweise elipsoid Im beschriebenen Beispiel wurden Vesikelkomplexe (Fig. 2) verwendet. Die Größe der komplexe lag bei 0,5 mm, ihre Form war irregulär. Beispiele zur Kinetik des Stoffaustausches an den Vesikeln sind Fig. 3 zu entnehmen. Fig. 3 zeigt die polarimetrische messung der Aufnahmekinetiken von rielibiose 4, Inulin 5 und Dextran 6 (MO 200 000) nach Zugabe von 0,5 ml Vesikelsuspension (Volumenanteil der Vesikeln ca 40 %). Detran diffundiert nicht in den Innenraum der Vesikeln (Volumen des wirksamen Innenraumes V).Characteristic sizes: Vesicle diameter: 50 ... 100 / µm thickness the shell 1. 1 by volume fraction of the interior 2: oa, 70 ... 95% shape of the vesicles n approximately ellipsoid In the example described, vesicle complexes (Fig. 2) used. The size of the complex was 0.5 mm, its shape was irregular. Examples FIG. 3 shows the kinetics of the exchange of substances at the vesicles. Fig. 3 shows the polarimetric measurement of the uptake kinetics of rielibiose 4, inulin 5 and dextran 6 (MO 200,000) after adding 0.5 ml of vesicle suspension (volume fraction of the vesicles approx. 40%). Detran does not diffuse into the interior of the vesicles (volume the effective interior space V).

Die Porengröße der Hülle erlaubte jedoch das Eindringen der Melibiose und des Inulins mit einer Halwertszeit von 20 s. Zum Nachweis der Trennung von Nichtelektrolyten nach der Molekülgröße (Ifolekularsiebeffekt) durch die beschriebenen Vesikeln wurde eine herkömmliche Flüssigchromatographiesäule aus Glas mit Vesikelkomplexen durch Sedimentation gefüllt.However, the pore size of the shell allowed melibiosis to penetrate and inulin with a half-life of 20 s. To demonstrate the separation of non-electrolytes according to the molecular size (Ifolekularsiebffekt) through the vesicles described was performed a conventional glass liquid chromatography column with vesicle complexes Sedimentation filled.

Säulendaten: Länge der Säule : 500 mm Durchmesser der Säule : 15 mm mobile Phase : H20 Aufstellung der Bezugszeichen 1 Hülle 2 Innenraum 3 koagulierte Reste des Zellinneren 4 Melibiose 5 Inulin 6 Dextran 7 Dextranpeak 8 Melibiosepeak - Leerseite -Column data: Length of the column: 500 mm, diameter of the column: 15 mm mobile phase: H20 List of the reference numerals 1 shell 2 interior 3 coagulated remnants of the cell interior 4 melibiose 5 inulin 6 dextran 7 dextran peak 8 melibiosis peak - blank page -

Claims (7)

Erfindungsanspruch 1. Vesikuläres Trenn-, FLill- und Trägermaterial für die Stofftrennung und Stoffwandlung, gekennzeichnet dadurch, daß es aus Hohlkörpern (Vesikeln) besteht, die eine poröse, wanne Hülle besitzen und daß es im mit Lösungsmittel gesättigten Zustand zum größeren Volumenanteil aus einer den Innenraum füllenden flüssigen Phase und zum geringeren Teil aus dem die Hülle bildenden gequollenen Feststoff besteht.Invention claim 1. Vesicular separating, filling and carrier material for the separation and transformation of substances, characterized in that it consists of hollow bodies (Vesicles), which have a porous, tub shell and that it is in the solvent saturated state to the larger volume fraction from a filling the interior liquid phase and, to a lesser extent, the swollen phase that forms the shell Solid. 2. Vesikuläres Trenn-, Fäll- und Trägermaterial nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Hohlkörper aus lebenden, abgetöteten oder zusätzlich veränderten pflanzlichen Zellen oder Mikroorganismen bestehen.2. Vesicular separating, precipitating and carrier material according to point 1, marked in that the hollow bodies are made from living, killed or additionally modified consist of plant cells or microorganisms. 3. Vesikuläres Trenn-, FQll- und Trägermaterial nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß es sich um einzelne getrennte Vesikeln oder Vesikelaggregate handelt.3. Vesicular separating, liquid and carrier material according to point 1 or 2, characterized in that they are individual separate vesicles or vesicle aggregates acts. 4. Vesikuläres Trenn-, Fäll- und Trägermaterial nach Punkt 1 - 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Innenraum mit einer fltissigen Phase gefüllt ist, die sich nicht mit der ätißeren Phase mischt.4. Vesicular separating, precipitating and carrier material according to points 1 - 3, characterized in that the interior is filled with a liquid phase, which does not mix with the outer phase. 5. Vesikuläres Trenn-, Füll- und Trägermaterial nach Punkt 1 - 3, gekennzeichnet dadurch, daß die poröse Halle eine Flüssigkeit enthält, die sich nicht mit den fltissigen Phasen des Innen- und des Außenraumes nischen läßt.5. Vesicular separating, filling and carrier material according to points 1 - 3, characterized in that the porous hall contains a liquid which does not allow niche with the liquid phases of the interior and exterior space. 6. Vesikuläres Trenn-, Füll- und Trägermaterial nach Punkt 1 - 5, gekennzeichnet dadurch, daß im Innenraum reaktionsfähige Moleküle, Kolloide, organzellen, Zellen oder Partikeln eingeschlossen sind.6. Vesicular separating, filling and carrier material according to points 1 - 5, characterized in that reactive molecules, colloids, organ cells, Cells or particles are included. 7. Vesikuläres Trenn-, Füll- und Trägermaterial, nach einem oder mehreren der Punkte 1 - 6> gekennzeichnet dadurch, daß die Hohlkörper eine flexible Hülle besitzen.7. Vesicular separating, filling and carrier material, according to one or more of points 1 - 6> characterized in that the hollow body has a flexible sheath own.
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