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Verfahren zur Herstellung heterogener Biokatalysatoren
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von heterogenen
Biokatalysatoren für Umsetzungen mit Hilfe von Enzymen oder von Mikroorganismen,
wobei das katalytisch aktive Biomaterial in die Makroporen eines porösen Trägers
mit bimodaler Porenradienverteilung eingebracht wird, die Mikroporen dieses Trägers
zur Gewährleistung eines definierten Mikromilieus für die biochemische Reaktion
vor dem Einbringen des Biomaterials mit systemspezifischen niedermolekularen Komponenten
beladen werden und/oder während bzw. nach der biokatalytischen Umsetzung erneut
beladen werden, der besagte Träger nach außen hin durch eine Deckschicht mit so
kleinen Porenöffnungen abgeschlossen wird, daß Formselektivität sowohl bezüglich
der biokatalytischen Umsetzung als auch zur Erhaltung der Wirksamkeit des Systems
erreicht wird, der besagte poröse Träger sich gegebenenfalls auf einem weiteren
Träger befindet, wobei sich Größe, Form sowie Struktur des Biokatalysators den reaktionstechnischen
Erfordernissen anpassen läßt.
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Enzyme und Mikroorganismen werden bei der Herstellung von Nahrungs-
und Genußmitteln bereits seit langem eingesetzt.
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In jüngster Zeit findet ihre Verwendung verstärktes Interesse in der
synthetischen organischen Chemie und in der chemisch-pharmazeutischen Industrie.
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Man nützt dabei die Eigenschaften ganzer lebender Zellen oder von
Bestandteilen bzw. Stoffwechselprodukten der lebenden Zelle aus, bestimmte Substrate
spezifisch umzuwandeln.
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Unter milden Bedingungen, wie sie physiologischen Verhältnissen entsprechen,
verlaufen enzymkatalysierte Reaktionen vielfach um mehrere Größenordnungen schneller
als die jeweiligen nichtkatalysierten Umsetzungen. Neben der hohen
Reaktionsgeschwindigkeit
ist die auffallendste Eigenschaft der enzymatischen Katalyse der hohe Grad an Selektivität.
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In den meisten Fällen verläuft sie substratspezifisch und produktselektiv,
und zwar sowohl selektiv bezüglich der Art der Reaktion als auch selektiv bezüglich
der Stelle im Substratmolekül, die im Falle mehrerer Möglichkeiten angegriffen wird
bzw. der Konfiguration, die im Produktmolekül gebildet wird.
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Neben diesen spezifischen Vorteilen der Biokatalyse - hohe Aktivität
bei hoher Substrat- und Wirkungsspezifität -zeigen enzymatische Systeme im Vergleich
zu herkömmlichen katalytischen Systemen der Chemie aber auch eine Reihe spezifischer
Nachteile. Beispielsweise sind die Bereiche der einzustellenden Temperaturen und
der Konzentrationen im Reaktionssystem (Edukt- bzw. Substrat-, Protonen-, Ionen-und
auch Produktkonzentrationen) meist sehr stark eingeengt.
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Bereits relativ geringe Abweichungen von den optimalen Reaktionsbedingungen
habenbei biochemischen Synthesen mit Enzymen oder Mikroorganismen drastische Einbußen
der im Reaktor erzielbaren Produktionsleistung oder sogar die Denaturierung und
damit häufig irreversible Zerstörung des katalytischen Systems zur Folge. Die Reaktionsprodukte
werden zwar mit hoher Selektivität, meist aber nur in relativ niederen Konzentrationen
gebildet. Kennzeichnend für biotechnologische Verfahren sind sehr große Reaktoren,
in denen es -insbesondere unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten - um so schwieriger
ist optimale Reaktionsbedingungen einzuhalten, je größer die Reaktionsräume sind.
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Hinzu kommt, daß das katalytisch aktive biologische Material, vor
allem wenn Enzyme in sehr reiner Form oder hochwertige Kulturen von Mikroorganismen
eingesetzt werden, in der Regel sehr teuer ist. Diesem Nachteil versucht man
dadurch
zu begegnen, daß man das Biomaterial immobilisiert und damit den Weg für eine Verwendung
in kontinuierlichen Reaktoren oder eine Wiederverwendung bei Chargenbetrieb eröffnet.
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In der Patent- und der einschlägigen wissenschaftlichen Fachliteratur
- beispielsweise in den zu den Standardwerken der Immobilisierungstechnik zählenden
Büchern von K. Mosbach: 'Inrmobilized Enzymes' in 'Methods in Enzymology', Bd. XLIV,
Acad. Press, New York, 1976, oder von R.A.Messing: 'Immobilized Enzymes for Industrial
Reactors', Acad. Press, New York, 1976, bzw. von H.H. Weetall; S. Suzuki: 'Immobilized
Enzyme Technology', Plenum Press, New York, 1974 -werden eine Reihe von Verfahren
zur Immobilisierung von Biomaterialien beschrieben. Nach dem Stand der Technik kann
man zwischen vier Haupttypen der Immobilisierung unterscheåden, die für die Praxis
mehr oder weniger große Nachteile beinhalten: a) Immobilisierung durch Adsorption
Bei dieser Methode wird die adsorptive Bindung von Proteinen an die Oberfläche geeigneter
anorganischer oder organischer Träger ausgenutzt, die keine speziellen funktionellen
Gruppen für eine kovalente chemische Bindung besitzen. Aufgrund der relativ schwachen
Bindungskräfte erweist sich der Vorgang als reversibel.
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Das Ausmaß von Adsorption und Desorption wird vom pH-Wert, der Ionenstärke
des Mediums, den Einflüssen des Substrats, der Gesamtproteinkonzentration im System,
der Zeit, der Temperatur, den Strömungsverhältnissen und naturgemäß auch von den
spezifischen Eigenschaften von Enzym und Träger bestimmt.
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b) Immobilisierung durch kovalente Bindung Die kovalente Bindung des
katalytisch aktiven biologischen Materials an geeignete Träger - in den meisten
Fällen makromolekulare Verbindungen - ist die mit Abstand bevorzugte Immobilisierungsmethode
im Labor. Wesentliche Voraussetzung für ihre erfolgreiche Anwendung mit meist mehreren
chemischen Schritten ist, daß die Molekülfaltung sowie die Anordnung der Gruppen
im aktiven Zentrum und damit die katalytische Aktivität erhalten bleibt. Spezifische
Nachteile der Methode sind, daß in der Regel das für eine uneingeschränkte biokatalytische
Funktion erforderliche Mikromilieu (z.B. lokaler pH-Wert, lokale Ionenkonzentration
usw.) stark beeinträchtigt wird, ohne daß dem entgegengewirkt werden kann und daß
praktisch für jedes biochemische System ein spezielles chemisches Verfahren anzuwenden
ist.
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c) Immobilisierung durch Matrixeinschluß Bei dieser Methode wird um
die Enzymmoleküle oder die mikrobiellen Zellen ein quervernetztes Polymer gebildet,
oder das Biomaterial zunächst in ein Polymergel eingebettet, dessen Retten anschließend
vernetzt werden. Nach der Quervernetzung wird das Material auf die gewünschte Partikelgröße
zerkleinert. Im Endeffekt erhält man nach diesem Verfahren Enzyme oder Zellen im
Gefüge von Gelen, die Substrat- und Produktmoleküle frei diffundieren lassen, sofern
deren Größe nicht die Grenzen übersteigt, die durch die Porengröße festgelegt sind.
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Neben den Verlusten an Aktivität durch die Vernetzungsreaktion der
Polymermatrix liegen die wesentlichsten Nachteile der Methode darin, daß Umsetzungen
damit im allgemeinen diffusionskontrolliert ablaufen, daß die
maximale
Substratbeladung des Enzyms durch seine Löslichkeit im Einschlußmedium begrenzt
wird und daß keine Möglichkeit besteht, ein Mikromilieu für die enzymatische Reaktion
definiert einzustellen bzw. aufrechtzuerhalten sowie eine möglichst gleichmäßige
Verteilung der Substrate im Biokatalysator zu gewährleisten.
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d) Mikroverkapselung Nach diesem Verfahren wird um ein oder mehrere
Enzymmoleküle eine Polymermembran - in der Hauptsache durch Oberflächenpolymerisation
- gebildet. Dicke und Durchlässigkeit der Membran können durch geeignete Wahl der
Konzentrationen, der Membranbildner und der Polymerisationsdauer innerhalb gewisser
Grenzen variiert werden. Allerdings ist die Methode nur bei Enzymen anwendbar, deren
Substrate und Produkte ein ziemlich niedriges Molekulargewicht haben.
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Im Prinzip wird bei der Mikroverkapselung das Enzym chemisch nicht
modifiziert, so daß seine typischen Eigenschaften erhalten bleiben sollten. Durch
Diffusionseffekte und nicht zuletzt durch die eigentliche enzymatische Reaktion
selbst ändert sich aber das Mikromilieu, worauf beim praktischen Einsatz nicht mehr
entsprechend Einfluß genommen werden kann.
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Trotz der vorzufindenden Fülle von Informationen über prinzipielle
Möglichkeiten verläuft die Einführung und Anwendung immobilisierter Enzyme oder
Mikroorganismen in der chemischen Technik unerwartet langsam. Das wird zum Beispiel
in einem kürzlich erschienenen Ubersichtsartikel über 'Immobilisierte Biomaterialien
- Techniken und Anwendungen' von B.P. Sharma; L.F. Bailey und R.A. Messing in: Angew.
Chem.
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94 (1982) 836 ff. festgestellt. Zu den vielen Gründen
zählen
unter anderem die meist sehr umständlichen bzw. aufwendigen Immobilisierungstechniken,
die hohen Verluste an katalytischer Aktivität bei der Immobilisierung nicht zuletzt
durch die Verwendung toxischer Chemikalien, das im praktischen Betrieb meist nicht
gewährleistete optimale Mikromilieu für die biochemische Reaktion und der mangelhafte
Schutz vor mikrobieller Kontamination. Einschränkende Faktoren für eine breitere
Anwendung heterogener Biokatalysatoren in der Technik sind somit meist die damit
erzielbaren, relativ geringen Raumzeitausbeuten und/oder die kurzen Katalysatorstandzeiten
sowie die fehlende Möglichkeit für eine zumindest teilweise Regenerierung.
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Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung von heterogenen
Biokatalysatoren hoher Aktivität und langer Standzeit in technischen Reaktoren mit
der Möglichkeit zur Wiederherstellung der Aktivität bei reversibler Desaktivierung.
Im Rahmen reaktionstechnischer Untersuchungen über die Wirkungsweise iinxnobilisierter
Biomaterialien wurde über raschend gefunden, daß bei einer Vorgehensweise gemäß
dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bis 35 Biokatalysatoren hoher Aktivität
und Stabilität für den praktischen Betrieb gewonnen werden. Das Verfahren ist nicht
nur relevant bei biochemischen Synthesen unter Anwendung einzelner Enzyme oder Mikroorganismen,
sondern auch bei Multienzymsystemen sowie bei kombinierten Anwendungen von Enzymen
bzw. Enzymkomplexen und Mik-oorganismen.
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Den prinzipiellen Aufbau und die Wirkungsweise derartiger formselektiver
Biokatalysatoren mit definiert einstellbarem Mikromilieu erläutert die Abbildung
1 am Beispiel eines Schalenkatalysators mit katalytisch in aktivem, unporösem Kern.
Das biologische Material wird in die Makroporen eines hochporösen anorganischen
Trägers (T) mit bimodaler Porenradienverteilung eingebracht. Nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren
kann die Porenradienverteilung der Makroporen durch Form und Größe der Partikel
bei der Herstellung des Trägers über weite Bereiche von ca. 10 bis über 500 nm gezielt
variiert werden. Die Mikroporen dieses Trägers, deren Porendurchmesser ebenfalls
variierbar sind - beispielsweise bei Verwendung entsprechender Zeolithe, Bentonite
oder sonstiger Tonmineralien von ca. 0,4 bis 1,3 nm -, können zur Gewährleistung
eines definierten Mikromilieus für die biochemische Reaktion bereits vor der Immobilisierung
durch Konditionierung mit systemspe zi fischen niedermolekularen Komponenten, wie
z.B.Effektoren,Ionen, Coenzymen usw., beladen werden. Nach dem Einbringen des Biomaterials
wird der Katalysatorträger nach außen hin durch eine Deckschicht (D) mit so kleinen
Porenöffnungen abgeschlossen , daß Formselektivität des Systems erreicht wird. Dabei
werden Porendurchmesser von ca. 3 bis 15 nm bei Verwendung anorganischer Materialien
wie Al203 oder SiO2 und von ca. 1 bis 3,5 nm mit organischen makromolekularen Substanzen
erhalten.
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Wichtige reaktionstechnische Parameter, wie beispielsweise der Korndurchmesser,
die Dicke der katalytisch aktiven Schicht, die Porengröße der Makroporen, die Porenradienverteilung
usw. können durch änderung der Herstellungsbedingungen bzw. der Einsatzstoffe über
weite Bereiche variiert werden. Das Verfahren ist nicht nur anzuwenden auf die Herstellung
von Schalenkatalysatoren mit unporösem, katalytisch inaktivem, kugeligem Kern, sondern
auch zur Herstellung von Schalenkatalysatoren mit porb = Kern beliebiger geometrischer
Form, sowie von Katalysatoren mit katalytisch aktivem Kern.
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Im Prinzip kommen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Herstellung
des porösen Trägers mit bimodaler Porenradienverteilung viele Materialien in Betracht,
sofern diese
einerseits eine große innere Oberfläche mit Mikro-
bzw.
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Mesoporen im Bereich von ca 0,3 bis 2,0 nm aufweisen und andererseits
in Form hinreichend kleiner Partikel bzw. Kristallite vorliegen, mit äußeren Abmessungen
im Bereich von ca. 0,05 bis etwa 30 em. Für die Praxis bringt die Verwendung der
oben genannten Materialien den Vorteil mit sich, daß diese in großen Mengen sowohl
in der Natur vorkommen, als auch synthetisch hergestellt werden und somit preisgünstig
im Handel erhältlich sind. In der chemischen Technik werden sie seit langem bei
vielen Verfahren als Adsorbentien oder als Katalysatoren eingesetzt, beispielsweise
bei Umsetzungen in der Petrochemie.
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Wenngleich sie auch zur Immobilisierung von Biomaterialien bereits
herangezogen worden sind, wie aus der Zusammenstellung von 1. Chibata in: 'Immobilized
Enzymes - Research and Development', Kodansha Ltd., Tokio, und John Wiley &
Sons, Wew York, 1978, hervorgeht, so unterscheidet sich ihre Verwendung nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren grundlegend von den Verfahren zum Stand der Technik.
Während die aufgeführten anorganischen Verbindungen nach dem Stand der Technik als
Ausgangsmaterialien für die kovalente oder adsorptive Bindung des Biomaterials dienen,
werden sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich zur Herstellung des porösen
Trägers mit bimodaler Porenradienverteilung herangezogen. Bei der Immobilisierung
nach dem erfindungsgemässen Verfahren werden nicht nur kovalente, sondern auch adsorptive
Bindungen zwischen dem Biomaterial und dem porösen Träger konsequent vermieden,
was durch die entsprechende Konditionierung vor dem Einbringen des Biomaterials
erzielt wird. Dadurch wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, daß das
Biomaterial trotz der Heterogenisierung seine katalytische Wirksamkeit innerhalb
hinreichend groß gewählter Makroporen wie in der homogenen Phase entfaltet.
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Im Vergleich zu den bisher gebräuchlichen Methoden zur Immobilisierung
von Enzymen oder Mikroorganismen bringt das erfindungsgemäße Verfahren eine Reihe
entscheidender Vorteile: A) Die Immobilisierung des biologischen Materials erfolgt
unter äußerst milden Bedingungen. Durch Konditionierung des porösen Trägers vor
dem Einbringen des Biomaterials läßt sich das für die uneingeschränkte Wirkung von
Enzymen bzw. von Mikroorganismen notwendige optimale Mikromilieu - z.B. pH-Wiert,
Ionen-, Salzkonzentrationen, Stabilisatoren usw. - in einfacher Weise einstellen.
Dadurch werden Verluste an Aktivität bei der Immobilisierung durch starke elektrische
Wechselwirkungen ebenso vermieden wie solche durch Einflüsse toxischer Chemikalien.
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B) Die erfindungsgemäße Technik der Immobilisierung ist bei höherer
Effektivität hinsichtlich der Erhaltung an katalytischer Aktivität auch wesentlich
einfacher und damit billiger auszuführen als die nach dem Stand der Technik bekannten
Methoden. Insbesondere trifft dies zu im Vergleich zu den Methoden der Immobilisierung
durch kovalente chemische Bindung oder durch Matrixeinschluß. Darüber hinaus bietet
das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit zur Wiederherstellung der Wirksamkeit
bei reversiblen Aktivitätsverlusten.
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C) Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der praktischen Anwendung
wesentlich flexibler zu handhaben als die meisten Verfahren nach dem Stand der Technik.
Es kann in einfacher Weise entsprechend den spezifischen Erfordernissen einer enzymatischen
Reaktion bzw. von Mikroorganismen oder des Reaktionsapparates (z.B. Festbettreaktor,
Rührkessel, Wirbelbett usw.) modifiziert werden.
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Die erfindung.sgemäße Verwendung von Trägermaterialien mit bimodaler
Porenradienverteilung für die Herstellung von heterogenen Biokatalysatoren bringt
folgende Vorteile: D) Bei der Fertigung des Trägers für das Biomaterial kann durch
Form und Größe der mikroporösen Partikel die Porenradienverteilung der Makroporen
über weite Bereiche -von 10 nm bis über 500 nm - variiert werden. Dadurch lassen
sich makroporöse Strukturen erzeugen, die einerseits groß genug sind, um Enzyme
oder ganze Zellen aufzunehmen, und andererseits einen ausreichend hohen inneren
Stofftransport im Heterogenkontakt gewährleisten.
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E) Aufgrund der großen inneren Oberfläche und des großen Volumenanteiles
der Mikroporen nach der erfindungsgemäßen Verwendung mikroporöser Partikel bei der
Herstellung des Trägers werden die Voraussetzungen geschaffen zur Aufnahme und Speicherung
großer Mengen niedermolekularer Verbindungen, die für den optimalen Ablauf einer
biochemischen Umsetzung wesentlich sind. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise
das Mikromilieu in unmittelbarer Nähe des katalytisch aktiven Biomaterials auch
bei betrieblich bedingten Schwankungen des Makromilieus in einem Reaktor konstant
halten. Durch geeignete Wahl mikroporöser Materialien wie beispielsweise Zeolithe,
Bentonite oder Tonmineralien mit hinreichend kleinen Porenöffnungen der Kristallite
läßt sich die unerwünschte Speicherung von Substrat- bzw. Produktmolekülen in einfacher
Weise vermeiden (Molekularsiebeffekt der Kristallitstruktur im Träger).
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Die erfindungsgemäße Verwendung mikroporöser Partikel, die auch zum
Austausch von Ionen fähig sind, bei der Herstellung des Trägers, bringt folgende
Vorteile:
F) Aufgrund ihrer Eigenschaft als Ionenaustauscher können
die mikroporösen Partikel des Trägers vor dem Einbringen des Biomaterials beispielsweise
mit Metallionen beladen werden, die bei der biochemischen Umsetzung die Wirkung
von Aktivatoren besitzen. Zusätzlich können aufgrund der porösen Struktur gegebenenfalls
auch Coenzyme eingebracht werden. Dadurch wird gewährleistet, daß beim Einsatz des
heterogenen Biokatalysators in einem Reaktor stets hinreichend hohe Konzentrationen
an Aktivatoren bzw. Coenzymen in unmittelbarer Nähe des Biomaterials vorhanden sind.
Das Katalysatorsystem erweist sich als unempfindlich bei betrieblich bedingten Schwankungen
des Makromilieus in einem Reaktor.
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G) Durch die Wirkung als Ionenaustauscher ist der poröse Träger in
der Lage, in das Reaktionssystem eingeschleppte Metallionen, insbesondere Ionen
von Schwermetallen, die Inhibitoren für die biochemische Umsetzung darstellen, zu
binden und das Biomaterial vor Vergiftung zu schützen.
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Der auf diese Weise erzielbare Schutz des Katalysatorsystems vor
Vergiftung ist wesentlich einfacher als die sonst übliche kostspielige Feinreinigung
technischer Reaktionslösungen.
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H) Aufgrund der Ionenaustauscher-Eigenschaften des Trägers mit der
dadurch gegebenen reversiblen Bindung von Kationen können nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte Biokatalysatoren regeneriert werden unter zumindest teilweiser
Wiederherstellung der ursprünglichen Aktivität.
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Die äußere Deckschicht mit sehr kleinen Porenöffnungen bringt nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von heterogenen Biokatalysatoren
folgende Vorteile:
I) Aufgrund der Möglichkeit zur gezielten Einstellung
der Porenweiten in der äußeren Deckschicht können Moleküle oder Partikel, die größer
sind als die Porenöffnungen, vom Reaktionsort ferngehalten werden.Dadurch läßt sich
Formselektivität des Biokatalysators erzielen.
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K) Die definiert einstellbaren kleinen Porenöffnungen in der äußeren
Deckschicht verhindern einerseits das 'Auswaschen' des Biomaterials und schützen
es andererseits vor mikrobieller Kontamination.
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L) Die äußere Deckschicht erhöht die mechanische Stabilität, wobei
die glatte Oberfläche gute fluiddynamische Eigenschaften bei der Verwendung in einem
Festbettreaktor gewährleistet und außerdem auch die Möglichkeit für eine einfache
mechanische Reinigung bietet.
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Das folgende Beispiel erläutert das erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung formselektiver Biokatalysatoren mit definiertem Mikromilieu, das sich
in mehrere Verfahrensschritte unterteilt: aa) Vorbereitung des inneren Trägers Werden
als innere Träger Materialien mit glatten Oberflächen wie beispielsweise Glaskugeln
verwendet, so ist es vorteilhaft zur Gewährleistung einer guten Haftung des porösen
Trägers für das Biomaterial,vor dem Aufbringen dieses porösen Trägers die Oberflächen
aufzurauhen.
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In einfacher Weise kann dies durch Anschleifen des inneren Trägers
mit einer wäßrigen Suspension von Siliziumcarbid erfolgen.
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Hierzu wird ein Rundkolben zu etwa einem Fünftel seines Volumens
mit dem inneren Trägermaterial,zu einem Drittel
seines Volumens
mit einer 5 %-igen wäßrigen Suspension von Siliziumcarbid, beispielsweise SiC 600,
beschickt und ähnlich der Betriebsweise einer Kugelmühle mit einer Drehzahl von
ca. 150 Umdrehungen pro Minute mehrere Stunden lang in Rotation versetzt. Anschließend
wird das Material durch mehrmaliges Waschen vom Abrieb und vom Schleifmittel gereinigt
und getrocknet.
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Sofern als innere Träger poröse Materialien oder solche mit bereits
rauher Oberfläche verwendet werden, entfällt dieser Verfahrensschritt. Er entfällt
auch bei der Herstellung von Vollkatalysatoren.
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bb) Aufbringen des porösen Trägers mit bimodaler Porenradienverteilung
für die Aufnahme des Biomaterials Ein von außen thermostatisierbarer Dragierkessel
wird zu etwa einem Fünftel seines Volumens mit einer abgewogenen Menge des nadiaa)
vorbereiteten inneren Trägermateria)sbeschickt und in eine so stark rotierende.
Bewegung versetzt, daß die Teilchen durch permanentes Abrollen von der umlaufenden
Kesselwand intensiv durchmischt werden, aber nicht an dieser haften bleiben. Das
mikroporöse Material zur Erzeugung des porösen Trägers für das Biomaterial wird
in Form einer 5 bis 10 %-igen Suspension in einem leichtflüchtigen Lösungsmittel~
wie beispielsweise Aceton, Pentan oder Petrolether -das 0,5 bis 1 % eines Bindemittels
enthält, mit Hilfe eines Zerstäubers durch einen kräftigen Preßluft- oder Stickstoffstrom
gleichmäßig auf das innere Trägermaterial in dem rotierenden Dragierkessel aufgesprüht.
Dabei sind die Menge der aufgesprühten Suspension, die Temperatur des Dragierkessels
und der A2ßluft- bzw. Stickstoffstrom so aufeinander abzustimmen, daß das Lösungsmittel
unmittelbar beim Auftreffen auf die Teilchen im Dragierkessel verdunstet und die
Teilchen trocken bleiben. Aufgrund der
lebhaften Bewegung der Teilchen
in dem Dragierkessel wird eine gleichmäßige Belegung der Oberflächen auch bei beliebigen
geometrischen Formen des inneren Trägers erreicht.
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Im Prinzip können verschiedene organische Kleber bzw. Bindemittel
bei der Herstellung des porösen Trägers verwendet werden, doch ist bei der Wahl
sorgfältig darauf zu achten, daß das mittlere Molekulargewicht hinreichend groß
ist, damit der Mikroporenanteil des porösen Trägers nicht verlorengeht. Als besonders
günstig hat sich ein Methylsilikonharz, Typ HK 15 a der Firma Wacker GmbH München
gezeigt.
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Bei diesem Verfahrensschritt kann in mehrfacher Weise auf die Eigenschaften
und die Wirkungsweise des heterogenen Biokatalysators Einfluß genommen werden: -
durch die Dauer des Sprühvorganges und damit die Menge des aufgebrachten porösen
Trägers für das Biomaterial kann die Dicke der katalytisch aktiven Schicht festgelegt
werden, wobei der Fortgang in einfacher Weise durch Wägung zu ermitteln ist, - durch
die Größe der mikroporösen Partikel wird die Größe der Makroporen des porösen Trägers
für das Biomaterial festgelegt: je kleiner/größer die äußeren Abmessungen sind,
desto kleiner/größer sind die gebildeten Makroporen, - durch die Korngrößenverteilung
der mikroporösen Partikel wird die Porenradienverteilung der Makroporen weitgehend
festgelegt: je enger/breiter die Korngrössenverteilung, desto enger/breiter erweist
sich die Porenradienverteilung der Makroporen, - je kleiner/größer die Mikroporen
der Partikel sind,desto kleiner/größer sind die Porenöffnungen der Mikroporen des
porösen Trägers mit bimodaler Porenradienverteilung für das Biomaterial.
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Nach dem Aufbringen der gewünschten Schichtdicke des porösen Trägers
wird das Material über Nacht im Trockenschrank bei einer Temperatur von ca. 110
°C getrocknet.
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Der Aufbau von Vollkatalysatoren erfolgt in analoger Weise, wobei
lediglich an Stelle des inneren Trägers beispielsweise Preßlinge aus dem mikroporösen
Trägermaterial als Grundkörper verwendet werden.
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cc) Konditionierung des porösen Trägers Vor dem Einbringen des katalytisch
aktiven Biomaterials wird in dem porösen Träger mit bimodaler Porenradienverteilung
ein für die biochemische Reaktion optimales Mikromilieu geschaffen. Diese Konditionierung
des Trägers kann nach einem statischen oder einem dynamischen Verfahren, beispielsweise
durch kontinuierliches Durchströmen des Materials in einer Festbettanordnung mit
der entsprechenden Reaktions- bzw. Nährlösung für die biochemische Reaktion erfolgen.
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Beim statischen Verfahren wird ein Rundkolben zu etwa einem Fünftel
seines Volumens mit dem nach aa) und bb) vorbehandelten Material beschickt und zu
etwa 2/3 seines Volumens mit der entsprechenden Reaktions- bzw. Nährlösung aufgefüllt.
Anschließend wird durch Rühren oder Schwenken des Rundkolbens die Mischung über
einen Zeitraum von ca. 24 h in der Weise in Bewegung gehalten, daß sich die Feststoffteilchen
nicht auf dem Boden absetzen können, sondern in der Lösung aufgewirbelt bleiben.
Durch eine hinreichend lange Kontaktzeit bei der Konditionierung soll sichergestellt
werden, daß die Mikroporen des Trägers mit einer hinreichend großen Menge systemspezifischer
niedermolekularer Komponenten für die gegebene biochemische Reaktion beladen werden.
Danach werden die
Feststoffteilchen von der Reaktions- bzw. Nährlösung
abgetrennt und gleichzeitig der größte Teil der in den Makroporen gespeicherten
Flüssigkeit entfernt, beispielsweise durch vorsichtiges Abschleudern. Dabei ist
allerdings darauf zu achten, daß der Flüssigkeitsgehalt der Mikroporen erhalten
bleibt.
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dd Einbringen des Biomaterials Das Einbringen des katalytisch aktiven
Biomaterials kann in einer äußerst einfachen Weise erfolgen. Werden Enzyme verwendet,
so wird das nach aa), bb) und cc) vorbehandelte Trägermaterial in einem Rundkolben
mit der Enzymlösung überschichtet und mehrere Stunden unter gelegentlichem Umschwenken
stehengelassen. Bei der Verwendung von Mikro-Organismen als katalytisch aktivem
Biomaterial werden die nach cc) vorbehandelten, tropfnassen Feststoffteilchen mit
einer Reinkultur der Mikroorganismen geimpft und in üblicher Weise bebrütet. Anschließend
werden die mit dem Biomaterial beladenen Katalysatorteilchen von der Nähr-bzw. Enzymlösung
abgetrennt und von der außen anhaftenden Flüssigkeit befreit.
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ee) Auftragen der äußeren Deckschicht Das Auftragen der äußeren Deckschicht
auf das nach aa) bis dd) vorbehandelte Material erfolgt nach der in bb) beschriebenen
Art, wobei lediglich die Trocknung bei einer Temperatur von 110 OC entfällt.
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