DE69618324T2

DE69618324T2 - Material zur Entfernung von Mikroben

Info

Publication number: DE69618324T2
Application number: DE69618324T
Authority: DE
Inventors: Kengo Okamoto
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1995-11-13
Filing date: 1996-10-19
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2016-10-20
Also published as: EP0772975A3; EP0772975B1; US5755969A; EP0772975A2; JP3271498B2; DE69618324D1; JPH09136030A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Verwendung von Hydroxyapatit mit einer c-Achsenlänge von 1 bis 1000 um und einem Seitenverhältnis von 5 oder mehr.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Als Materialien und Filter zur Entfernung von Mikroben, die in der Lebensmittelfermenationsindustrie, bei der Kultivierung und Produktion biochemischer Substanzen, bei der Produktion von künstlichen Körperflüssigkeiten für die medizinische Anwendung und bei der Produktion von keimfreiem Trinkwasser verwendet werden, waren bisher bekannt poröse, anorganische Substanzen wie Siliciumoxid, Aktivkohle und Diatomeenerde; Vliesstoffe oder Hohlfasern aus organischen Fasern wie Cellulosen, Polyethylenen und Polyestern (siehe japanische, offengelegte Patentanmeldung Nr. 4-156933 und 6-63132); und faserige Metallsubstanzen aus rostfreiem Stahl, Inconel, Hastelloy oder ähnlichem (siehe japanische, offengelegte Patentanmeldung Nr. 5-130858).
Zusätzlich wurden ebenfalls als solche Materialien zur Entfernung von Mikroben poröser Hydroxyapatit, der aus dem Hartgewebe von Vertebraten erhalten wird, und Hydroxyapatit, der durch Nassverfahren produziert wird, verwendet.
Calcinierter Hydroxyapatit, der hergestellt wird durch Calcinieren des oben genannten Hydroxyapatits bei einer Temperatur zwischen 600ºC und 1400ºC, wird ebenfalls als Material zur Entfernung von Mikroben verwendet.
Konventionelle Materialien zur Entfernung von Mikroben wie die oben erwähnten, beispielsweise anorganische Substanzen wie Siliciumoxid, Aktivkohle und Diatomenerde, die porös sind, fangen Mikroben in ihren Poren ab, um sie dadurch von den anderen Substanzen abzutrennen.
Dementsprechend können solche porösen, anorganischen Substanzen Mikroben von solchen Größen adsorbieren, die in den Poren der anorganischen Substanzen abgefangen werden können, sie können jedoch die anderen Mikroben nicht adsorbieren, die daher gemeinsam mit den bearbeiteten Flüssigkeiten durch die anorganischen Substanzen passieren.
Zusätzlich ist die Adsorption von Mikroben auf solchen porösen, anorganischen Substanzen nicht fest, da lediglich eine physikalische Bindung mit diesen besteht. Darüber hinaus ist die Adsorptionskapazität der porösen, anorganischen Substanzen klein. Aus diesen Gründen sind die porösen, anorganischen Substanzen nicht zufriedenstellend für die Entfernung von Mikroben zur Reinigung von Flüssigkeiten.
Andererseits werden in faserigen Filtern aus organischen Polymerfasen aus Cellulosen, Polyethylenen, Polyestern oder ähnlichen oder aus rostfreiem Stahl, Inconel, Hastelloy oder ähnlichen die Maschen des faserigen Materials als Siebe verwendet. Daher können solche faserigen Filter Substanzen verschiedener Größen lediglich physikalisch fraktionieren und filtern.
Der Mikrobenabtrennungsmechanismus von Hydroxyapatit liegt in der Erzielung einer ionischen Adsorption und ist verschieden von der physikalischen Adsorption, die durch die oben erwähnten üblichen Mikroben abtrennenden Materialien erzielt werden soll. Daher weist Hydroxyapatit starke Adsorptions- und Abtrennungseigenschaften auf, die für bestimmte Mikroben spezifisch sind. Zusätzlich ist Hydroxyapatit aufgrund der stereospezifischen Adsorbierbarkeit der adsorbierenden Stellen auf seiner Oberfläche empfindlich für den Unterschied in den funktionellen Gruppen, die auf den Oberflächen von Mikroben existieren. Aus diesen Gründen wird erwartet, dass Hydroxyapatit gute Adsorptions- und Abtrennungseigenschaften aufweist, die spezifisch sind für den Mikrobentyp.
Hydroxyapatit, der bisher in üblichen Mikrobenabtrennungsmaterialien verwendet wurde, wird aus natürlichen Organismen extrahiert oder durch Nassverfahren synthetisiert Hydroxyapatit dieses Typs ist schlecht kristallin und weist eine schlechte Adsorbierbarkeit auf. Zusätzlich liegt er in Form von feinen Partikeln im Submikrometerbereich vor. Daher kann er selbst nicht zu Filtern geformt werden. Falls er als Mikroben entfernendes Material verwendet wird, kann seine Flüssigkeitspermeabilität nicht gewährleistet weden.
Calcinierter Hydroxyapatit, der hergestellt wird durch Calcinieren von in einem Nassverfahren hergestelltem Hydroxyapatit bei einer Temperatur zwischen 600ºC und 1400ºC, kann als Mikroben entfernendes Material verwendet werden. Dies konnte jedoch nicht zufriedenstellend saure biochemische Substanzen, nämlich saure Mikroben, adsorbieren, da das Wachstum der A-Ebene jeder Partikelkristallstruktur nicht gut war.
Die Herstellung von Hydroxyapatit-Whiskers ist in US-A-5 227 147 beschrieben. Die Herstellung schließt Erhitzen durch Hydrothermalbehandlung ein und führt zu Hydroxyapatitwhiskers mit einem mittleren Seitenverhältnis von 10,0 oder höher und einer c-Achsenlänge von 1 bis 1000 um. Das in dem Dokument des Stands der Technik beschriebene Material wurde als gepackte, stationäre Phase in einer Säule mit einer überlegenen Zellabtrennungs- oder Kultivierungseffizienz, als biotechnologisches Material, wie Träger für die Zellkultivierung oder -abtrennung, als Vielzahl von faserverstärkten Compositmaterialien, oder als Ersatzkonstruktionsmaterial für Asbest ohne nachteilige Wirkungen auf lebende Organismen verwendet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Bei dieser gegebenen Situation haben wir, die Erfinder, Untersuchungen durchgeführt, um die oben genannten Probleme zu lösen, und haben als Ergebnis die vorliegende Erfindung erzielt, die im Detail im Folgenden beschrieben wird.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Entfernung von Mikroben bereitgestellt, umfassend die Verwendung von Hydroxyapatit mit einer mittleren c-Achsenlänge von 1 um bis 1000 um und einem Seitenverhältnis von 5 oder mehr.
Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung von Hydroxyapatit mit einer mittleren c-Achsenlänge von 5 um bis 200 um und einem Seitenverhältnis von 10 oder mehr.
Die Erfindung betrifft die Verwendung des oben erwähnten Hydroxyapatits für die Entfernung von Mikroben aus einer Lösung.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Entfernung von Bakterien und Viren in der Lebensmittelfermentationsindustrie und bei der Kultivierung und Produktion von biochemischen Substanzen und auch die Entfernung von Bakterien und Viren aus Körperflüssigkeiten für die medizinische Verwendung und aus Trinkwasser.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Während sie durch Hydrothermalreaktion synthetisiert werden, haben die Hydroxyapatit-Whiskers, die hier bereit gestellt werden und als Mikroben entfernendes Material gemäß der erfindungsgemäßen Verwendung verwendet werden sollen, gute Kristallinität und Flüssigkeitspermeabilität. Zusätzlich haben die kristallinen Hydroxyapatit-Whiskers eine hohe Adsorbierbarkeit mit großer Adsorptionskapazität und zeigen gute Adsorptions- und Abtrennungseigenschaften, da die Struktur der adsorbierenden Stellen auf den Oberflächen der Kristalle gut geordnet ist.
Da die Erfindung Hydroxyapatit-Whiskers verwendet, bei denen die A- Ebenen bevorzugt in der c-Achsenrichtung gewachsen sind, können diese darüber hinaus nicht nur Mikroben entfernen, die von den Whiskers an ihren C- Ebenen adsorbiert werden, sondern auch solche, die selektiv an den A-Ebenen adsorbiert werden.
Dementsprechend ist das Mikroben entfernende Material, das erfindungsgemäß verwendet wird, empfindlich gegen die Unterschiede der funktionellen Gruppen, die auf den Oberflächen von Mikroben existieren, und kann daher selektiv verschiedene Arten von Mikroben entfernen.
Die Fähigkeit des Mikroben entfernenden Materials zur selektiven Entfernung spezifischer Mikroben kann beispielsweise aus den folgenden Gründen vorliegen: Der Hydroxyapatit, auf dem die erfindungsgemäße Verwendung basiert, liegt in Form von hexagonalen Säulenkristallen vor, die Kristallebenen mit verschiedenen Eigenschaften aufweisen, der A-Ebene, die der Seitenebene entspricht, und der C-Ebene, die der Grundebene entspricht.
Die A-Ebene hat adsorbierende Stellen (C-Stellen), die aus positiv geladenen Calciumionen aufgebaut sind, während die C-Ebene adsorbierende Stellen (P-Stellen) aufweist, die aus negativ geladenen Phosphatoionen aufgebaut sind.
Daher werden saure, biochemische Substanzen mit vielen Carboxylgruppen und Phosphatogruppen an den C-Stellen adsorbiert, während basische, biochemische Substanzen mit vielen Aminogruppen an den P-Stellen adsorbiert werden. Eine solche Selektivität gewährleistet die selektive Entfernbarkeit des Mikroben entfernenden Materials der Erfindung. Erfindungsgemäße werden die Hydroxyapatit-Whiskers in Form von Schichten oder nach Formen zu Filtern verwendet.
Bei Verwendung des Hydroxyapatits werden daher alle Mikroben, die größer sind als die Poren des Materials, als Rückstand entfernt, unabhängig von der Art der Mikroben, während die anderen, die kleiner sind als die Poren, selektiv durch die Hydroxyapatit-Whiskers an ihren Adsorptionsstellen in Abhängigkeit von den Eigenschaften der funktionellen Gruppen der Mikroben entfernt werden können.
Die Mikroben entfernende Verwendung ist spezifisch mit dem Hydroxyapatit verbunden, der eine mittlere c-Achsenlänge von 1 um bis 1000 um und ein Seitenverhältnis von 15 oder mehr aufweist.
Der Grund dafür, warum die mittlere c-Achsenlänge des Hydroxyapatits, der das Mikroben entfernende Material der vorliegenden Erfindung bildet, so definiert ist, dass er zwischen 1 um und 1000 um fällt, liegt darin, dass, falls die mittlere c-Achsenlänge kleiner ist als 1 um, das Material keine gute Flüssigkeitspermeabilität aufweisen kann, und falls sie größer ist als 1000 um, die Maschen des Material so groß sind mit dem Ergebnis, dass fast alle Mikroben durch solche großen Maschen passieren. Der Grund, warum das Seitenverhältnis des Hydroxyapatits, der das Mikroben entfernende Material der vorliegenden Erfindung darstellt, so definiert ist, dass es 5 oder mehr beträgt, liegt darin, dass die Adsorbierbarkeit der Hydroxyapatit-Whiskers an ihren A-Ebenen vergrößert werden soll.
Bevorzugt umfasst das Mikroben entfernende Material, das erfindungsgemäß bereit gestellt werden soll, Hydroxyapatit mit einer mittleren c- Achsenlänge von 5 um bis 200 um und einem Seitenverhältnis von 10 oder mehr.
Der Grund dafür, warum die mittlere c-Achsenlänge des erfindungsgemäß verwendeten Hydroxyapatits so definiert ist, dass es bevorzugt nicht kleiner ist als 5 um, liegt darin, dass eine zufriedenstellende Flüssigkeitspermeabilität des Materials gewährleistet werden soll; der Grund, warum es so definiert ist, dass es bevorzugt nicht größer ist als 200 um, liegt darin, dass die Anzahl von Mikroben, die aufgrund der c-Achsenlänge von mehr als 200 um durch die großen Maschen passieren können, reduziert werden soll. Andererseits liegt der Grund dafür, warum das Seitenverhältnis des erfindungsgemäß verwendeten Hydroxyapatits so definiert ist, dass es bevorzugt 10 oder mehr ist, darin, dass die Adsorbierbarkeit von Hydroxyapatit-Whiskers an den A-Ebenen vergrößert werden soll.
Die hier in Bezug genommenen Mikroben schließen nicht nur sogenannte Bakterien ein, sondern auch Viren, Rickettsien, Chlamydien, Mycoplasmen, Spirochäten, Pilze usw.
Wie oben erwähnt, kann das Mikroben entfernende Material erfindungsgemäß selbst oder nach Formen zu Schichten oder Filtern zur Entfernung von Mikroben verwendet werden. Falls gewünscht, kann das Material mit Vliesstoffen, baumwollartigem Stoff aus natürlichen oder synthetischen, organischen Fasern, baumwollartigem Stoff aus anorganischen Fasern oder mit aus solchen Fasern hergestelltem Filterstoff oder Papier geträgert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden unter Bezug auf die folgenden Beispiele dargestellt.

Beispiel 1:

25 g Milchsäure und 6,89 g 85% H&sub3;P0&sub4; wurden in 500 ml Wasser gelöst, und 7,37 g Ca(OH)&sub2; wurden dazugegeben. Die resultierende Lösung wurde einer Hydrothermalbehandlung bei 165ºC während fünf Stunden zur Herstellung eines synthetischen Hydroxyapatits unterzogen.
Die c-Achsenlänge und das Seitenverhältnis dieses Hydroxyapatits wurden mit einem optischen Mikroskop gemessenmit dem Ergebnis, dass die mittlere c- Achsenlänge 21 um und das mittlere Seitenverhältnis 18 betrug.
Testflüssigkeiten, die jeweils separat Zellen von Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Influenzavirus in einer Menge von 106 Zellen/ml enthielten, wurden hergestellt. 0,1 g des oben hergestellten, pulverigen Hydroxyapatits wurden zu jeder Testflüssigkeit von 4 ml gegeben und vollständig gerührt. Diese Testflüssigkeiten wurden während 10 Minuten stehengelassen, und die Anzahl der Zellen in der resultierenden, überstehenden Flüssigkeit jeder Testflüssigkeit wurde gezählt, woraus die Fähigkeit des Hydroxyapatits zur Adsorption der Zellen bestimmt wurde.
Als Vergleichsbeispiele wurden die folgenden Proben auf dieselbe Weise wie oben getestet.
(1) 112 g Calciumhydroxid wurden in 3 Litern Wasser suspendiert, und Phosphosäure wurde tropfenweise unter Rühren zugegeben, um ein molares Verhältnis Ca/P von 1,67 zu erhalten. So wurde eine Hydroxyapatitaufschlämmung hergestellt, die dann unter Verwendung eines Sprühtrockners zu Partikeln mit einer mittleren Partikelgröße von 15 um und einem Seitenverhältnis von etwa 2,0 getrocknet wurde. Der so hergestellte Nassprozess-Hydroxyapatit wurde als eine Vergleichsprobe verwendet.
(2) Der oben hergestellte Nassprozess-Hydroxyapatit wurde bei 900ºC während einer Stunde zur Herstellung eines calcinierten Hydroxyapatits mit einer mittleren Partikelgröße von 12 um und einem Seitenverhältnis von etwa 2,5 calciniert. Dieser wurde als weiteres Vergleichsbeispiel verwendet.
(3) Ein hochreines Siliciumoxid mit einer mittleren Partikelgröße von 12 um wurde als weitere Vergleichsprobe verwendet.
(4) Als Blindprobe wurde nichts zu den Testflüssigkeiten gegeben.
Die Ergebnisse für Escherichia coli sind in Tabelle 1 gezeigt; die für Staphylococcus aureus in Tabelle 2; und die für Influenzavirus in Tabelle 3.
Aus diesen Ergebnissenergibt sich, dass die Fähigkeit des Hydrothermal- Prozess-Hydroxyapatits zur Adsorption der Zellen die größte ist.

Tabelle 1 - Escherichia coli

Getestete Probe Anzahl der Zellen (/ml)

Hydrothermal-Prozess-Hydroxyapatit 5,0 · 10³
Nassprozess-Hydroxyapatit 3,0 · 10&sup5;
Calcinierter Hydroxyapatit 7,0 · 10&sup4;
Siliciumoxid 3,0 · 10&sup6;
Blind 5,0 · 10&sup6;

Tabelle 2 - Staphylococcus aureus

Getestete Probe Anzahl der Zellen (/ml)

Hydrothermal-Prozess-Hydroxyapatit 2,0 · 10&sup4;
Nassprozess-Hydroxyapatit 3,0 · 10&sup6;
Calcinierter Hydroxyapatit 3,0 · 10&sup5;
Siliciumoxid 3,0 · 10&sup6;
Blind 6,0 · 10&sup6;

Tabelle 3 - Influenzavirus

Getestete Probe Anzahl der Zellen (/ml)
Hydrothermal-Prozess-Hydroxyapatit 7,0 · 10³
Nassprozess-Hydroxyapatit 4,0 · 10&sup5;
Calcinierter Hydroxyapatit 8,0 · 10&sup4;
Siliciumoxid 2,0 · 10&sup6;
Blind 7,0 · 10&sup6;

Beispiel 2:

Drei Proben, die derselbe Hydrothermal-Prozess-Hydroxyapatit und calcinierte Hydroxyapatit sind wie die in Beispiel 1 verwendeten, und ein Cellulosefilterstoff mit einer Filterporengröße von 1 um wurden hier getestet. Zylindrische Behälter mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Länge von 100 mm wurden separat mit 10 g jeder Probe zur Herstellung von Mikroben entfernenden Behältern gefüllt.
Eine Testflüssigkeit, enthaltend jeweils Zellen von Milchsäurebakterien (mittlere Größe: 5 um), Escherichia coli (mittlere Größe: 2 um), Staphylococcus aureus (mittlere Größe: 0,5 um), Mycoplasma (mittlere Größe: 0,2 um) und Influenzavirus (mittlere Größe: 0,1 um) in einer Menge von 10&sup6; Zellen/ml wurde jeweils hergestellt. 10 ml der Testflüssigkeit wurden mit einer Flussgeschwindigkeit von 3 ml/min in jeden Mikroben entfernenden Behälter eingeführt, und die Anzahl Zellen im resultierenden Filtrat, das durch den Behälter passierte, wurde gezählt.
Die erhaltenen Daten sind in Tabelle 4 gezeigt.
Da alle Filtrate weder Zellen von Milchsäurebakterien noch Zellen von Escherichia coli enthielten, wurden die Daten dafür in Tabelle 4 weggelassen.
Wie in Tabelle 4 gezeigt, entfernte die Cellulosefilterprobe die Bakterien, die größer sind als die Filterporengröße, konnte jedoch nicht die anderen ausreichend entfernen, die kleiner sind als die Filterporengröße.
Im Gegensatz dazu entfernte der Hydroxyapatit effizient alle getesteten Mikroben. Tabelle 4
Wie im Detail oben beschrieben wurde, weist das Mikroben entfernende Material, da es Hydoxyapatit mit einer mittleren c-Achsenlänge von 1 um bis 1000 um und einem Seitenverhältnis von 5 oder mehr umfasst, gute Flüssigkeitspermeabilität, hohe Mikrobenadsorptionskraft und große Adsorptionskapazität auf. Zusätzlich kann der Hydroxyapatit effizient sogar saure Mikroben adsorbieren und entfernen, da er ein großes Flächenverhältnis der A- Ebene aufweist.
Während die Erfindung im Detail und unter Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Verwendung von durch eine Hydrothermalreaktion hergestelltem Hydroxyapatit mit einer c-Achsenlänge von 1 um bis 1000 um und einem Seitenverhältnis von 5 oder mehr zur Entfernung von Mikroben aus einer Lösung.

2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Hydroxyapatit eine mittlere c- Achsenlänge von 25 um bis 200 um aufweist.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Seitenverhältnis 10 oder größer ist.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mikroben ausgewählt werden aus der aus Bakterien, Viren, Rickettsien, Chlamydien, Mycoplasmen, Spirochäten, Pilzen und Gemischen davon bestehenden Gruppe.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mikroben eine mittlere Größe von DA 1 um bis 2 um aufweisen.

6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mikroben entweder basisch oder sauer sind.

7. Verwendung nach Anspruch 6, wobei die Mikroben Oberflächen- Carboxyl- oder -Phosphatgruppen aufweisen und sauer sind.

8. Verwendung nach Anspruch 6, wobei die Mikroben Oberflächen- Aminogruppen aufweisen und basisch sind.

9. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lösung durch einen den Hydroxyapatit umfassenden Filter gegeben werden.