EP1446662A2 - Verfahren und substanz zum überpruefen des abbaugrades von polymeren mit verbrückenden säureamidgruppen und/oder chemisch ähnlichen gruppen - Google Patents

Verfahren und substanz zum überpruefen des abbaugrades von polymeren mit verbrückenden säureamidgruppen und/oder chemisch ähnlichen gruppen

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EP1446662A2
EP1446662A2 EP02774702A EP02774702A EP1446662A2 EP 1446662 A2 EP1446662 A2 EP 1446662A2 EP 02774702 A EP02774702 A EP 02774702A EP 02774702 A EP02774702 A EP 02774702A EP 1446662 A2 EP1446662 A2 EP 1446662A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
polyamide
groups
indicator
substance
degree
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02774702A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Eisner
Andreas MÄURER
Fritz Brandl
Michael Meuner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1446662A2 publication Critical patent/EP1446662A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N31/00—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods
    • G01N31/22—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods using chemical indicators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography

Definitions

  • the invention relates to an indicator of the extent of the splitting of bonds in bridging acid amide groups and chemically analogous to these reacting groups, in particular of peptide bonds in organic, preferably native organic materials after treatment of these materials in chemical and / or physical, for example thermal or hydrolytic processes , and a method of determining the extent of this cleavage using this indicator.
  • Organic materials e.g. native organic polymers from amino acids such as native proteins, enzymes and peptides, as well as synthetically produced substances containing amide (peptide) bonds such as polyamino acids or technically modified natural products are subjected to different thermal, chemical and / or physical treatment processes or combinations of these in technology. This is done in pursuit of different goals, but what they have in common is that the properties of the polymers are irreversibly changed, e.g.
  • Waste management objectives are also possible.
  • Native organic substances containing acid amide groups e.g. slaughterhouse waste, animal carcasses, food residues, microbially active sludges, etc.
  • TTI temperature-time indicators
  • the degree of reaction conversion can be determined on the basis of a known temperature and time load. Such indicators can be helpful for chemical reactions under defined conditions or for checking the cold chain of frozen products. In complex mixtures such as In food products, biogenic waste, slaughter waste, animal carcasses or microbially active sludges, no useful data can be obtained on the completeness of the desired reaction due to the multi-layered composition with TTI.
  • TTI for determining the degree of cleavage in the materials mentioned above is its limitation to the parameters of temperature and time. This does not take into account the influence of the matrix. It must be assumed, however, that catalytic influences also act in such complex substance mixtures, which can drastically distort the course of the reaction compared to laboratory conditions.
  • the pH value plays an important role in aqueous systems for the progress of hydrolysis reactions. Since inhomogeneous distribution of complex buffer equilibria can occur, especially in biological materials, a local pH control is also hardly able to make exact predictions about the status of the bonds in the treated polymers.
  • TTI in the described form can also not make any statements about real waste engineering processes for which e.g. is interested in how likely it is that a defined percentage of a substance to be rendered harmless has actually been rendered harmless. Uncertainties can arise here from uneven flow conditions in the reactor, through variation of particle size and composition of the waste, different thermal conductivities of the waste components, formation of agglomerates or moisture "nests" in the process, changes in chemical boundary conditions (e.g. pH value) and others Parameter. The temperature-time history is then not sufficient for an assessment of the process engineering influence.
  • Indicators which could make statements about the extent of the cleavage of CN or other bonds of the acid amide groups of native or synthetic polymers from amino acids in the applications described or other complex substance mixtures are not known. In particular can Cleavage reactions of peptide bonds, which occur specifically and in a defined manner under hydrolysis conditions or thermal action, are not depicted or modeled with indicators according to the prior art. Here, too, assessments can only be made in a direct analytical way.
  • the object of the present invention is therefore to find an indicator reaction and a substance which can be used for it, with the aid of which the degree of reaction or degradation of natural or synthetic polymers which contain bridging acid amide groups and / or groups which react chemically in an analogous manner, according to chemical, thermal and / or physical Action can be reproduced, for example the degree of reaction or degradation of peptides or proteins.
  • This reaction and this substance should make it possible to describe the degree of reaction and / or degradation that materials with bridging acid amide groups and / or chemically related groups, in particular materials with peptide bonds, exhibit when they have been exposed to certain process conditions.
  • the term "bridging" is intended to express that the acid amide and related groups in question are not terminal groups, for example CONH 2 or the like, but rather groups which link molecular components in a polymerizing manner.
  • the degree of reaction or degradation is independent of which cleavage reaction (s) actually take place under the prevailing conditions, e.g. whether C-N bonds are hydrolyzed or whether - e.g. in thermal processes - oxidation reactions with other decomposition patterns or other reactions occur.
  • polyamide is to be understood as meaning compounds which consist of two or more repeating structural units which are bridged / linked via an acid amide bond.
  • the polyamide used can be dimers or oligomers containing more than two monomer units or polymers with a higher, higher or even very high number of monomer units.
  • the compounds used can be used as Solid substances or, if they have this physical physical state, can be used as liquid substances.
  • solutions, dispersions or emulsions of polyamides can be used.
  • the polyamides can be pure substances or polyamide mixtures or can also be in a mixture or combination with other substances, depending on the requirements or the requirements that result from the material to be examined.
  • polyamide is also sometimes referred to with the abbreviation PA.
  • the substance can either be exposed to the process conditions mentioned separately from the material to be examined, but it is preferably added to it.
  • Figure 1 shows the elementary composition of the monomeric building blocks caprolactam and leucine and the polymers PA-6, casein and whey protein (data from Belitz, Grosch: Fundamentals of food chemistry, 1992)
  • FIG. 2 shows the change in the average molar mass of bovine serum albumin (RSA) and polyamide-6 (PA-6) in the course of acidic hydrolysis (6% HCl, 95 ° C.)
  • FIG. 3 shows the change in the concentration of the caprolactam oligomers in polyamide-6 (PA-6) in the course of the thermal treatment (230 ° C.). The concentrations are given relative to the final concentration of the dimer (cf. FIG. 4).
  • FIG. 4 shows the change in the concentration of the caprolactam dimer in polyamide-6 (PA-6) in the course of the thermal treatment (230 ° C.). The concentrations are given relative to the final concentration
  • polyamides under different chemical / physical conditions with regard to kinetics and degree of degradation are very similar to native polymers made from amino acids (peptides, proteins), and that they are still present in traces (order of magnitude ⁇ 100ppb) in the reaction residue are detectable. If it is not an "exotic" variant, polyamides are also very inexpensive and can therefore also be used economically in larger quantities. Such substances are therefore particularly suitable for use as an indicator material for mapping processes and to be used to evaluate the effectiveness of technical systems (especially in the area of waste management).
  • Polyamide and its degradation products also have the advantage that they can only have a toxic effect in very high concentrations.
  • An indicator based on PA can also be used e.g. used in food processes to check product safety.
  • reaction processes can be modeled and the effectiveness of technical processes can be checked.
  • PA-6 in addition to the presence of peptide bonds in the macromolecule, also has a great similarity in its elemental composition with proteins and amino acids (see FIG. 1). This makes this synthetic substance highly suitable as a model for describing the behavior of acid amide bridges in chemical, physical and / or thermal reactions.
  • acid amide bridges Under the influence of chemical, physical or thermal processes, acid amide bridges, their chemical analogs and, in particular, native and synthetic polymers containing peptide bonds, react, for example those from amino acids, to form reaction products and molecular fragments. Under certain circumstances, the reaction products can in turn combine to form new compounds. Turnover and reaction kinetics in such substances are largely dominated by reactions on the acid amide bridges or the like, for example on peptide bonds.
  • the reaction to be investigated thermal cleavage, hydrolysis, ...) added polyamide, especially synthetic polyamide, or the reaction conditions of these reactions to be investigated are simulated in parallel to the actual reaction with such a polyamide as a substrate.
  • the polyamide serves as an indicator of chain breaks at any point in the acid amide groups or their analogues or at their bonds to neighboring groups in the polymer.
  • An indicator based on polyamide has the following advantages:
  • Polyamide oligomers or monomers and / or their secondary products have a low detection limit. In one embodiment of the invention, these compounds can therefore be detected directly in a favorable manner, it being sufficient to investigate a compound as the lead substance.
  • the polyamide to be used as an indicator is a defined, preferably pure or essentially pure substance or compound from which decomposition products are produced under the process conditions used, at least one of which is known or can be easily measured.
  • Synthetic polyamides are particularly suitable, especially homopolyamides of the aminocarboxylic acid type and of the diamine dicarboxylic acid type.
  • An example of this is polyamide 6, which is composed of caprolactam units or ⁇ -aminocaproic acid.
  • PA 66 nylon
  • nylon is a polymer of hexamethylene- ⁇ , ⁇ -diamine and adipic acid. If a commercially available synthetic polymer is used, there is a further advantage that the cost of the indicator is low.
  • the defined connection which is as pure as possible, can be present, for example, in the form of granules, particles or solid balls or balls with a defined particle size or particle size distribution or as a film which preferably has a defined thickness.
  • the size of the particles can be selected from very wide ranges, for example from a few ⁇ m to the centimeter range and preferably between approximately 10 ⁇ m to 10 mm, more preferably between approximately 100 ⁇ m and 1 mm, while foils are suitably a few ⁇ m up to several mm, preferably 10 ⁇ m to 1000 ⁇ m thick.
  • polyamides instead of commercially available synthetic polymers, polyamides are used which are made up of rarer, unusual or previously unknown monomers.
  • these monomers do not occur in our natural environment and / or are not or only sparingly present in the material cycle of our civilization, for example polymers of aliphatic dicarboxylic acids and diamines with chain lengths of preferably C 3 to C 15 , insofar as they are are not used in technical processes such as nylon production, synthetic polyamino acids such as polyglycine, polyalanine or dendrimers based on polyamides, which may also be made up of corresponding non-natural D-amino acids.
  • Such polyamides have a property profile tailored to the requirement as an indicator material; Their advantage is that the probability of finding their degradation products as products of the process to be examined (so-called cross-contamination by common, common polyamides) is very low. They can therefore be added to the material to be examined in a favorable manner; Since their breakdown products are easily definable, they can then be detected in the product mixture using very sensitive methods such as gas chromatography, and conversions due to the presence of these breakdown products also being dispensed with in the material to be examined. In particular, they are also suitable for use in the investigation of waste streams.
  • solutions made from oligomeric building blocks of a polyamide are used as indicators.
  • a polyamide e.g. a commercially available polyamide, extracted with water.
  • the extraction conditions can vary widely, e.g. Water or ethanol can be used as the extractant at different temperatures and with different extraction times.
  • An aqueous extraction is preferably selected, which can take place, for example, at 40-90 ° C. and with residence times between 4 and 48 hours.
  • the soluble components of the polyamide pass into the liquid phase.
  • such a solution can have a characteristic composition of monomer, dimer, trimer and possibly other, water-soluble oligomers.
  • the change in this composition during a chemical, thermal or physical treatment is an easy to analyze parameter that allows a specific statement about the existing process conditions.
  • Polyamide is suitable as an indicator of the extent of the hydrolytic cleavage of peptide bonds in polymers made from amino acids (example 1).
  • the previously described analogy between RSA and PA-6 under acidic hydrolysis conditions shows that it is possible to correlate the behavior of peptide bonds e.g. in proteins and those in PA.
  • the indicator can then be added to the process medium and, depending on its thermal / physical / chemical load over time (e.g. by changing its molecular weight distribution or by activating a dye in a polyamide shell), provides information about the real treatment conditions in the Process. On the basis of statistical evaluations of the indicator results, a statement on the degree of treatment of the target product is made possible.
  • PA can be used as an indicator for mapping hydrolysis processes e.g. in the production of gelatin and wort or in processes of protein hydrolysis for food ingredients and technical products, but also for the mapping of thermal pressure hydrolysis in the area of waste management.
  • the temperature-time load during the thermal decomposition of organic polymeric materials containing acid amide groups can also be determined with the aid of the indicator. It is known from studies in Great Britain that amino acids can be detected in the residues of thermal processes (e.g. in coal-fired plants), in the input of which protein-containing animal meal was added (http://www.environment-agency.gov.uk/business/ ippc / 107824 / bse_risks /). This proves that the thermal conversion of the proteins in technical combustion plants does not take place completely in CO 2 , water and nitrogen oxides. The concentration of the free amino acids (monomers) and the dimer and oligomer pattern of the amino acids provide information about how far the conversion of the proteinaceous material has gone.
  • PA-6 is therefore suitable as a temperature-time indicator for materials containing acid amide groups.
  • the mapping of thermal decomposition processes can be used for the detection of central chain breaks in organic materials. This is particularly relevant for the secure inactivation of infectious materials, such as prions in infected waste.
  • the procedure for experimentally adapting the indicator to the selected “product” (eg prion) and for mathematically evaluating the data obtained is carried out analogously to hydrolysis.
  • the limit for the mapping of chemical, physical or thermal reactions is the proof of the effectiveness of technical systems.
  • the indicator is primarily required that he use a yes-or-no statement to describe whether e.g. In the area of waste management, the target value is not reached and whether the technical system largely eliminates the added substances.
  • a defined limit concentration of indicator polymer, monomer, dimer or oligomer can be established.
  • the simplest limit is the requirement that none of the compounds mentioned can be detected.
  • An example of this is the incineration of waste containing protein, to which a PA indicator has been added. When the thermal oxidation process in the system under investigation has been completed, no PA or PA monomer should be detectable in the combustion residues such as slag and ash.
  • PA Under the thermal-oxidative conditions in waste incineration plants, PA should be completely mineralized. In reality, however, the combustion can be incomplete due to a short residence time (e.g. diarrhea due to incineration rust), lack of oxygen, moisture, compacting or similar effects. This lack of effectiveness of the system can be clearly demonstrated by analytical detection of monomers, oligomers and / or other defined fragments of the PA in the combustion residues down to the trace area. The effectiveness of technical systems is therefore very easy to determine and compare with other systems.
  • sample preparation techniques such as those used for. B. be used in environmental and contaminant analysis for the investigation of fly ash, slags and similar materials. This allows isolation and possibly concentration from complex matrices in the trace area.
  • the molecular weight distribution (synonymous with the chain length distribution) is an important parameter of polymeric materials.
  • Gel permeation chromatography GPC; also known as size exclusion chromatography (SEC)
  • SEC size exclusion chromatography
  • a prerequisite is a sufficient amount of sample with a complete mass balance, which suggests use in closed systems (e.g. PA in an inert hollow body made of steel or the like).
  • the indicator effect of polyamide can also be used indirectly.
  • the kinetic data of depolymerization in different environments can be used to indicate the dissolution of the polymer with the release of an enclosed indicator substance according to the prior art.
  • Defined degradation processes can be set according to the morphology of the polymer material or the surface structure in order to be able to deal with different process conditions.
  • the defined polyamide can be used in combination with a marker substance.
  • a marker substance in this embodiment, it is generally not a degradation product of the polyamide that is measured, but rather the marker substance or a property of this substance.
  • the marker substance can be selected from a large number of possible substances, such as, for example, dyes, which can absorb in different spectral ranges (UV / VIS, NIR, IR) or fluoresce, reactive dyes that react with components of the matrix when released, radioactive substances, chiral substances, salts of rare elements as well as salts or other compounds that release physical properties (e.g. conductivity, dielectric constant , ...) of the surrounding material.
  • the marker substance is chemically, physically or mechanically coupled to the polyamide.
  • the marker substance is e.g. adsorptively (e.g. via Van der Waals bonds) bound to the polyamide.
  • a chemical bond is available, for example by covalently coupling reactive groups of the marker molecules to a correspondingly derivatized polyamide.
  • the conditions are to be chosen so that the cleavage of the acid amide groups in the polyamide leads to a quantitatively comparable release of the marker substance.
  • the quantity of marker substance found quantitatively thus enables direct conclusions to be drawn about the quantity of the cleaved acid amide bonds.
  • the marker substance can be homogeneous or, where it appears advantageous, inhomogeneous in the polyamide.
  • the marker substance is hidden / encapsulated in the polyamide and is released by the degradation of the polyamide. Accordingly, the marker substance can be inserted enclosed in the particles of a granulate or in (micro) capsules with a defined particle size distribution (in the case of microcapsules, for example, in the range of about 10 ⁇ m diameter or less) or in a film with a defined thickness. If marker substance can be detected after the process to be examined has been completed, the extent of the cleavage of the acid amide bridges or chemically comparable structures in the materials to be tested can be concluded in such a way that a minimum value for the degree of cleavage can be given.
  • auxiliary substances in a thermolabile shell which is required for modeling or adapting chemical reaction conditions in different matrices.
  • an acid which is enclosed in meltable polyethylene capsules in a (larger) capsule made of PA.
  • the polyamide can be fixed on an inert carrier material or connected to it. For example, it can be applied to the surface of diatomaceous earth, alumina, silica gel or silicate particles.
  • the indicator substance of the present invention is to be kept separate from the material containing acid amide groups while being exposed to the process conditions of the material to be investigated, it is possible in a special embodiment of the invention to introduce it into an inert and dense hollow body which e.g. can consist of steel and in which a defined humidity and defined pH values and heat transfer coefficients can be set.
  • This configuration is e.g. Suitable for thermal processes in which, despite the separation, reliably identical conditions must and can be maintained.
  • the substance is introduced into a hollow body with a semipermeable wall (e.g. made of ceramic), through which a pressure, moisture and / or pH balance between the environment and the interior of the hollow body takes place.
  • the polyamide can be incorporated into a matrix made of a water-swellable polymer, preferably polyacrylate.
  • a defined humidity prevails or can be set in the matrix.
  • Example 1 PA-6 as an indicator of protein hydrolysis
  • Bovine serum albumin with an average molecular weight of approximately 68 kD and a 15 ⁇ m thick polyamide 6 film with an average molecular weight of approximately 58 kD were hydrolyzed under identical conditions (6% HCl, 95 ° C.) in an aqueous medium.
  • the changes in the mean molar masses over time were determined for RSA using HPLC and for PA-6 using GPC.
  • the course of the examination over time is shown in FIG. Taking into account the differences in the analytical Measuring method shows a high degree of similarity.
  • the similarity in the behavior of PA-6 to the investigated protein distinguishes PA in order to be used as an indicator material for changes in the peptide bonds in the hydrolysis of proteins.
  • PA-6 is also an ideal indicator for the thermal stress of substances containing acid amide groups and especially for substances with peptide bonds.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Indikator zum Bestimmen des Spaltungsgrades von verbrückenden Säureamidgruppen und/oder solchen chemisch analog reagierenden Gruppen in einem Material, das solche Gruppen enthielt und Bedingungen unterworfen wurde, durch welche diese Gruppen zumindest teilweise gespalten wurden, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator eine polyamidhaltige Substanz umfasst oder daraus besteht, sowie Verwendungsmöglichkeiten dieses Indikators. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen des Spaltungsgrades verbrückender Säureamidgruppen und/oder solcher chemisch analog reagierender Gruppen in einem Material, das solche Gruppen enthält und Bedingungen unterworfen werden soll, durch welche diese Gruppen zumindest teilweise gespalten werden.

Description

Verfahren und Substanz zum Überprüfen des Abbaugrades von Polymeren mit verbrückenden Saureamidgruppen und/oder chemisch ähnlichen Gruppen
Die Erfindung betrifft einen Indikator für das Ausmaß der Spaltung von Bindungen in verbrückenden Saureamidgruppen und chemisch analog zu diesen reagierenden Gruppen, insbesondere von Peptidbindungen in organischen, vorzugsweise nativ- organischen Materialien nach Behandlung dieser Materialien in chemischen und/oder physikalischen, beispielsweise thermischen oder hydrolytischen Prozessen, sowie ein Verfahren zum Bestimmen des Ausmaßes dieser Spaltung unter Verwendung dieses Indikators.
Organische Materialien, z.B. nativorganische Polymere aus Aminosäuren wie native Proteine, Enzyme und Peptide, sowie synthetisch erzeugte, amid(peptid)bindungshaltige Substanzen wie beispielsweise Polyaminosäuren oder technisch veränderte Naturstoffe werden in der Technik unterschiedlichen thermischen, chemischen und/oder physikalischen Behandlungsprozessen oder Kombinationen aus diesen ausgesetzt. Dies geschieht in der Verfolgung unterschiedlicher Ziele, denen jedoch gemeinsam ist, daß dabei die Eigenschaften der Polymere irreversibel verändert werden, z.B.
• mittels Hydrolyse zur Erzeugung von Produkten aus Proteinen (z.B. Würzen, Proteinhydrolysate, Gelatine, etc.), oder
• durch thermische und/oder chemische (z.B. Ethylenoxid, Ozon) Behandlung und/oder durch Bestrahlung mit dem Ziel der Inaktivierung von Enzymen oder zur Reduktion von Krankheitserregern in Produktionsprozessen.
Möglich sind auch Zielsetzungen im abfallwirtschaftlichen Bereich. Hier werden Saureamidgruppen enthaltende nativorganische Stoffe (z.B. Schlachtabfälle, Tierkadaver, Speisereste, mikrobiell aktive Schlämme o.a.) behandelt mit dem Ziel, sie
• für Mensch und Umwelt unschädlich zu machen (z.B. thermische und/oder hydrolytische Spaltung oder Oxidation von Keimen, Viren, Prionen, o.a.),
• sie hydrolytisch aufzuschließen, um sie einer Vergärung zugänglich zu machen (z.B. Thermodruckhydrolyse) oder • Energie oder Energiespeicher aus ihnen zu gewinnen (z.B. Verbrennung, Pyrolyse).
Für die beschriebenen Prozesse interessieren Wirksamkeit und Umsetzungsgrad der beabsichtigten Reaktion (z.B. Grad der Hydrolyse, Vollständigkeit von Inaktivierung, Oxidation, Pyrolyse). Von besonderer Bedeutung ist dies, wenn Infektionspotentiale vollständig und sicher zu beseitigen sind. Die o.g. Parameter in technischen Prozessen zu bestimmen, gestaltet sich meist schwierig. Ursache hierfür ist, daß technische Prozesse nicht unter konstanten und idealen Reaktionsbedingungen ablaufen. Zudem liegen z.B. im Bereich der Abfallwirtschaft sehr heterogene Stoffgemische vor, und direkte analytische Verfahren scheiden v.a. aufgrund von Matrixeffekten aus.
Stand der Technik zum Nachweis von Spaltungen von nativen oder künstlichen Polymeren aus Aminosäuren, die im Verlauf von Behandlungsprozessen dieser Polymere entstehen, ist die analytische Bestimmung der Reaktionsprodukte oder von Rückständen der Ausgangsstoffe. Ein Beispiel hierfür ist in der Veröffentlichung der British Environment Agency beschrieben (http://www.environment-agency.gov.uk/ business/techguide/ippc/ 107824/bse_risks/). In der Arbeit wurde untersucht, wie sich proteinhaltiges Tiermehl in Verbrennungsreaktoren verhält. Zum Nachweis der Proteinzersetzung wurden die Verbrennungsrückstände auf Protein-Bruchstücke untersucht (Aminosäuren, Peptide). Bei diesem direkten Nachweis der Protein- Bruchstücke ist aufgrund der Komplexität und der großen Anzahl unterschiedlicher Proteine nicht direkt auf die Behandlungs-Historie des wiedergefundenen Materials zu schließen.
Nachteilig gestaltet sich bei den bekannten, direkten Analyseverfahren zudem, daß die zu zerstörenden Ausgangsmaterialien (z.B. Prionen) nach dem entsprechenden Behandlungsprozeß (z.B. Verbrennung, Pyrolyse) wenn überhaupt, dann nur noch in Spuren vorhanden sind, die zudem genau wie die vielfach nicht definierten Spaltprodukte in unterschiedlichen Matrices (z.B. Asche, Pyrolyseöl) vorliegen. Die damit theoretisch erforderliche Entwicklung einer individuellen analytischen Methode für jede Einzelkomponenten/Matrix-Kombination beschränkt den direkten Nachweis in der Praxis auf einige wenige Analyte. Viele analytische Methoden für komplexe Verbindungen (z.B. Nachweis von Prionen) fordern aber eine so hohe Ausgangskonzentration des Analyten, daß nach einem Behandlungsverfahren, bei dem es zu starken Reduktions- oder Verdünnungseffekten kommt, eine analytische Nachweisbarkeit mit Methoden nach Stand der Technik unmöglich ist.
Um Aussagen über den Reaktionsablauf in technischen Prozessen oder die Temperatur- und Zeit-Historie von Stoffen treffen zu können, bedient man sich sogenannter Temperatur-Zeit-Indikatoren (TTI). Ausführungen derartiger TTI sind u.a. in der WO99/56098 oder in der EP0930489 beschrieben. Diese Indikatoren zeigen optisch direkt an (z.B. durch Farbreaktionen oder irreversible Zustandsänderungen), welche Temperatur-Zeit-Historie der TTI durchlaufen hat.
Wenn die kinetischen Parameter einer Reaktion bekannt sind, kann auf Basis einer bekannten Temperatur- und Zeit-Belastung der Grad des Reaktionsumsatzes bestimmt werden. Für chemische Reaktionen unter definierten Bedingungen oder zur Überprüfung der Kühlkette bei Tiefkühlprodukten können derartige Indikatoren hilfreich sein. In komplexen Stoffgemischen wie z.B. in Lebensmittelprodukten, biogenen Abfallstoffen, Schlachtabfällen, Tierkadavern oder mikrobiell aktiven Schlämmen sind aufgrund der vielschichtigen Zusammensetzung mit TTI keine verwertbaren Daten über die Vollständigkeit der gewünschten Reaktion zu erzielen.
Ein bedeutender Nachteil von TTI für die Bestimmung des Spaltungsgrads in den oben erwähnten Materialien ist deren Beschränkung auf die Parameter Temperatur und Zeit. Der Einfluß der Matrix wird dadurch nicht berücksichtigt. Dabei ist jedoch davon auszugehen, daß in derartig komplexen Stoffgemischen auch katalytische Einflüsse wirken, die den Reaktionsverlauf gegenüber Laborbedingungen drastisch verzerren können. So spielt beispielsweise in wäßrigen Systemen für den Fortschritt von Hydrolysereaktionen der pH-Wert eine bedeutende Rolle. Da sich gerade in biologischen Materialien inhomogen verteilt komplexe Puffergleichgewichte einstellen können, ist eine lokale pH-Kontrolle ebenfalls kaum in der Lage, exakte Prognosen über den Status der Bindungen in den behandelten Polymeren zu treffen.
TTI in der beschriebenen Form können ebenfalls keine Aussage über reale abfalltechnische Prozesse machen, für die z.B. interessiert, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, daß eine unschädlich zu machende Substanz zu einem definierten Prozentsatz auch tatsächlich unschädlich gemacht wurde. Unwägbarkeiten können sich hier ergeben durch ungleichmäßige Strömungsverhältnisse im Reaktor, durch Variation von Partikelgröße und -Zusammensetzung des Abfalls, unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten der Abfallbestandteile, Bildung von Agglomeraten oder Feuchte- „Nestern,, im Prozeß, Veränderung chemischer Randbedingungen (z.B. pH-Wert) und anderer Parameter. Die Temperatur-Zeit-Historie ist dann für eine Bewertung des prozeßtechnischen Einflusses nicht ausreichend.
Indikatoren, die Aussagen über das Ausmaß der Spaltung von C-N-oder anderen Bindungen der Saureamidgruppen nativer oder synthetischer Polymere aus Aminosäuren in den beschriebenen Anwendungen oder sonstigen komplexen Stoffgemischen machen könnten, sind nicht bekannt. Insbesondere können Spaltungsreaktionen von Peptidbindungen, die spezifisch und definiert unter Hydrolysebedingungen oder thermischer Einwirkung ablaufen, mit Indikatoren nach Stand der Technik nicht abgebildet oder modelliert werden. Hier können ebenfalls nur auf direktem analytischem Wege abschätzende Aussagen getroffen werden.
Aufgabe der voriiegenden Erfindung ist es demzufolge, eine Indikatorreaktion und eine dafür verwendbare Substanz aufzufinden, mit deren Hilfe der Reaktions- oder Abbaugrad natürlicher oder synthetischer Polymere, die verbrückende Saureamidgruppen und/oder chemisch analog reagierende Gruppen enthalten, nach chemischer, thermischer und/oder physikalischer Einwirkung wiedergegeben werden kann, z.B. der Reaktions- oder Abbaugrad von Peptiden oder Proteinen. Diese Reaktion und diese Substanz sollen es ermöglichen, den Reaktions- und/oder Abbaugrad zu beschreiben, den Materialien mit verbrückenden Saureamidgruppen und/oder chemisch verwandt reagierenden Gruppen, insbesondere Materialien mit Peptidbindungen, aufweisen, wenn sie bestimmten Prozeßbedingungen ausgesetzt worden sind. Der Begriff "verbrückend" soll dabei ausdrücken, daß es sich bei den in Rede stehenden Säureamid- und verwandten Gruppen nicht um endständige Gruppen handelt, beispielsweise um CONH2 o.a., sondern um Gruppen, die Molekülbestandteile polymerisierend verknüpfen.
Reaktions- bzw. Abbaugrad sind dabei unabhängig davon, welche Spaltungsreaktion(en) unter den herrschenden Bedingungen tatsächlich erfolgen, z.B. ob C-N-Bindungen hydrolysiert werden, oder ob - z.B. in thermischen Prozessen - Oxidationsreaktionen mit anderen Zersetzungsmustern oder andere Reaktionen auftreten.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Verfahrens gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine aus einem oder mehreren Polyamiden bestehende oder solche Polyamide enthaltende Substanz den gleichen Prozeßbedingungen ausgesetzt wird wie das zu untersuchende Material und anschließend das Ausmaß der Spaltung der enthaltenen Saureamidgruppen in dieser Substanz, vorzugsweise die Anwesenheit eines bekannten Abbauprodukts dieser Substanz, gemessen wird. Unter dem Ausdruck "Polyamid" sollen vorliegend Verbindungen verstanden werden, die aus zwei oder mehr sich wiederholenden Struktureinheiten bestehen, die über eine Säureamidbindung verbrückt/verknüpft sind. Insbesondere kann es sich bei dem eingesetzten Polyamid um Dimere oder um mehr als zwei Monomereinheiten enthaltende Oligomere oder aber um Polymere mit einer höheren, hohen oder sogar sehr hohen Anzahl von Monomereinheiten handeln. Die eingesetzten Verbindungen können als Festsubstanzen oder, sofern sie diesen physikalischen Aggregatzustand besitzen, als flüssige Substanzen eingesetzt werden. Alternativ können Lösungen, Dispersionen oder Emulsionen von Polyamiden verwendet werden. Die Polyamide können reine Substanzen oder Polyamid-Mischungen sein oder auch in Mischung oder Kombination mit anderen Substanzen vorliegen, je nach Wunsch bzw. den Anforderungen, die sich durch das zu untersuchende Material ergeben.
Nachstehend wird Polyamid teilweise auch mit der Abkürzung PA bezeichnet.
Die Substanz kann den genannten Prozeßbedingungen dabei entweder getrennt von dem zu untersuchenden Material ausgesetzt werden, vorzugsweise wird sie ihm jedoch zugegeben.
Figur 1 zeigt die elementare Zusammensetzung der monomeren Bausteine Caprolactam und Leucin sowie der Polymere PA-6, Casein und Molkenprotein (Daten aus Belitz, Grosch: Grundlagen der Lebensmittelchemie, 1992)
Figur 2 zeigt die Veränderung der mittleren Molmasse von Rinderserumalbumin (RSA) und Polyamid-6 (PA-6) im Verlauf der sauren Hydrolyse (6 % HCI, 95 °C)
Figur 3 zeigt die Veränderung der Konzentration der Caprolactam-Oligomeren in Polyamid-6 (PA-6) im Verlauf der thermischen Behandlung (230 °C). Die Konzentrationen sind relativ zur Endkonzentration des Dimeren (vgl. Figur 4) angegeben.
Figur 4 zeigt die Veränderung der Konzentration des Caprolactam-Dimeren in Polyamid-6 (PA-6) im Verlauf der thermischen Behandlung (230 °C). Die Konzentrationen sind relativ zur Endkonzentration angegeben
Mit der Erfindung hat sich überraschenderweise gezeigt, daß Polyamide unter unterschiedlichen chemisch/physikalischen Bedingungen hinsichtlich Kinetik und Abbaugrad eine sehr große Ähnlichkeit mit nativen Polymeren aus Aminosäuren (Peptiden, Proteinen) aufweisen, und daß sie im Reaktionsrückstand auch in Spuren (Größenordnung < 100ppb) noch nachweisbar sind. Sofern es sich nicht um "exotische" Varianten handelt, sind Polyamide außerdem sehr preisgünstig und können daher auch in größeren Mengen wirtschaftlich eingesetzt werden. Damit sind solche Substanzen in besonderer weise geeignet, um als Indikatormaterial zur Abbildung von Prozessen und zur Bewertung der Wirksamkeit technischer Anlagen (v.a. im Bereich der Abfallwirtschaft) eingesetzt zu werden.
Polyamid und seine Abbauprodukte haben zudem den Vorteil, daß sie erst in sehr hohen Konzentration toxisch wirken können. Somit kann ein Indikator auf Basis von PA auch z.B. in Lebensmittelprozessen zur Überprüfung der Produktsicherheit Anwendung finden.
Durch den Einsatz von Polyamid als Indikator können daher Reaktionsabläufe modelliert und die Wirksamkeit technischer Prozesse überprüft werden.
Es war zwar allgemein bekannt, daß sich synthetische Polyamide thermisch und chemisch aufspalten lassen. Die in diesen Polymeren vorhandenen Peptidbindungen lassen eine gewisse chemische Ähnlichkeit zu nativen Polyaminosäuren vermuten. Überraschenderweise hat sich aber nun gezeigt, daß eine direkte Analogie von Polyamiden und Polymeren aus Aminosäuren bei chemischer, physikalischen und/oder thermischer Behandlung vorhanden ist. Wie nachstehend in Beispiel 1 unten dargelegt wird, weisen die saure Hydrolyse von Rinderserumalbumin (RSA) und Polyamid-6 (PA- 6) eine fast vollkommene Analogie in der Abbaukinetik auf. Auch bei der Pyrolyse von PA-6 (siehe Beispiel 2) zeigt sich die Ähnlichkeit der Spaltungsreaktionen an den Saureamidgruppen zwischen PA-6 und der bereits oben erwähnten thermischen Behandlung von proteinhaltigem Tiermehl. Bekannt war dabei, daß Proteine in thermischen Prozessen unterhalb der Zersetzungstemperatur der Aminosäuren (ca. 200 bis 300 °C) zu einem überwiegenden Anteil in Aminosäuren und Peptide zerfallen. In Beispiel 2 wird bei einer Temperatureinwirkung von 230 °C gezeigt, daß PA-6 entsprechend der Temperatur-Zeit-Belastung ein spezifisches Oligomerenmuster im Pyrolyserückstand ausbildet. Dies ermöglicht eine spezifische Temperatur-Zeit- Abbildung für säureamidgruppenhaltige Polymere und Polymere, die chemisch analog reagierende Gruppen enthalten, soweit diese Gruppen nicht endständige Gruppen sind.
Trennung, Identifikation und Quantifizierung der Oligomere von PA-6 ist dabei z.B. durch Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC) mit massenspektrometrischer Detektion (HPLC-MS-Kopplung) möglich. MS/MS-Detektion erlaubt für die Analyten gleichzeitig hohe Selektivität bei hoher Nachweisempfindlichkeit auch in komplexen Stoffgemischen. Die Analogien im Reaktionsverhalten von Polyamiden mit organischen, säureamidgruppenhaltigen Materialien wie Proteinen können vor allem für den Bereich der Abfallbehandlung von großem Nutzen sein. Der Grund liegt darin, daß sich analytisch einfach und sehr genau die Spaltung von solchen Substanzen mit pathologischem Potential und der Grad der Vollständigkeit dieser Reaktion in technischen Anlagen nachweisen und überwachen läßt. Dies kann beispielsweise zum Nachweis der sicheren Proteinzerstörung oder Prioneninaktivierung in verschiedenen thermischen und chemischen Prozessen und Anlagen genutzt werden.
Auch sonst laufen überraschenderweise vergleichbare Reaktionen in synthetischen Polyamiden und in Proteinen ab. PA-6 beispielsweise hat neben dem Vorhandensein von Peptidbindungen im Makromolekül auch eine große Ähnlichkeit in der elementaren Zusammensetzung mit Proteinen und Aminosäuren (siehe Figur 1). Damit zeichnet sich diese synthetische Substanz in hohem Maße als geeignet aus, das Verhalten von Säureamidbrücken in chemischen, physikalischen und/oder thermischen Reaktionen modellhaft zu beschreiben.
Außerdem lassen sich auch Reaktionen beschreiben, denen Polymere mit verbrückenden Gruppen unterworfen werden, die chemisch analog zu Saureamidgruppen reagieren, z.B. -NH-C(O)-NH-Gruppen.
Zusammenfassend lassen sich folgende Vorteile für den Einsatz von Polyamid als Indikatorsubstanz für säureamidgruppenhaltige Polymere und Polymere mit vergleichbaren Gruppen wie oben definiert nennen:
• Vergleichbare Reaktionskinetik mit Polymeren aus Aminosäuren
• konstante, in der Regel definierte Zusammensetzung und günstige analytische Verfolgung auch im Spurenbereich und in komplexen Stoffgemischen
• Nutzbarkeit als ein universeller Indikator zum Wirksamkeitsnachweis von abfalltechnischen Anlagen.
Unter dem Einfluß chemischer, physikalischer bzw. thermischer Prozesse reagieren Säureamidbrücken, deren chemische Analoga und insbesondere Peptidbindungen enthaltende, native und synthetische Polymere, z.B. solche aus Aminosäuren, zu Reaktionsprodukten und molekularen Bruchstücken. U.U. können sich die Reaktionsprodukte wiederum zu neuen Verbindungen zusammenfügen. Umsatz und Reaktionskinetik in derartigen Substanzen sind maßgeblich dominiert durch Reaktionen an den Säureamidbrücken o.a., z.B. an Peptidbindungen. Wie erwähnt, wird erfindungsgemäß der zu untersuchenden Reaktion (thermische Spaltung, Hydrolyse, ...) Polyamid, insbesondere synthetisches Polyamid zugesetzt, oder die Reaktionsbedingungen dieser zu untersuchenden Reaktionen werden parallel zu der eigentlichen Reaktion mit einem solchen Polyamid als Substrat simuliert. Dabei dient das Polyamid als Indikator für Kettenbrüche an einer beliebigen Stelle der Saureamidgruppen oder deren Analoga bzw. an deren Bindungen zu benachbarten Gruppen im Polymeren. Ein Indikator auf Basis von Polyamid hat dabei die folgenden Vorteile:
• Man setzt eine definierte Substanz ein, deren Zusammensetzung, Struktur und/oder Größe bekannt ist oder von der man zumindest ein Abbauprodukt kennt, so daß man es gezielt suchen und nachweisen kann.
• Polyamidoligomere oder -monomere und/oder deren Folgeprodukte haben eine niedrige Nachweisgrenze. In einer Ausgestaltung der Erfindung können daher in günstiger Weise diese Verbindungen direkt detektiert werden, wobei es ausreichend ist, eine Verbindung als Leitsubstanz zu untersuchen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem als Indikator einzusetzenden Polyamid um eine definierte, vorzugsweise reine oder im wesentlichen reine Substanz oder Verbindung, aus der unter den angewandten Prozeßbedingungen Abbauprodukte entstehen, von denen mindestens eines bekannt ist oder sich leicht vermessen läßt. Gut geeignet sind synthetische Polyamide, vor allem Homopolyamide vom Aminocarbonsäuretyp und vom Diamin-Dicarbonsäuretyp. Ein Beispiel hierfür ist Polyamid 6, das aus Caprolactam-Einheiten oder ε-Aminocapronsäure aufgebaut ist. Ein weiteres Beispiel ist PA 66 ("Nylon"), das ein Polymeres aus Hexamethylen-α,ε- diamin und Adipinsäure ist. Sofern ein handelsübliches synthetisches Polymer eingesetzt wird, ergibt sich als weiterer Vorteil, daß die Kosten des Indikators gering sind.
Die definierte, möglichst reine Verbindung kann beispielsweise in Form von Granulat, von Teilchen oder massiven Kügelchen oder Kugeln mit definierter Partikelgröße bzw. Partikelgrößenverteilung oder als Folie vorliegen, die vorzugsweise eine definierte Dicke besitzt. Die Größe der Teilchen kann dabei aus sehr weiten Bereichen ausgewählt werden, z.B. von wenigen μm bis in den Zentimeter-Bereich und bevorzugt zwischen ca. 10μm bis 10mm, stärker bevorzugt zwischen ca. 100 μm und 1 mm, während Folien in geeigneter Weise wenige μm bis mehrere mm, vorzugsweise 10μm bis 1000μm dick sein können. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden anstelle von handelsüblichen synthetischen Polymeren Polyamide eingesetzt, die aus selteneren, ungewöhnlichen oder bisher nicht bekannten Monomeren aufgebaut sind. Insbesondere ist es dabei bevorzugt, wenn diese Monomeren in unserer natürlichen Umgebung nicht vorkommen und/oder die im Stoffkreislauf unserer Zivilisation gar nicht oder nur spärlich vorhanden sind, beispielsweise Polymere aus aliphatischen Dicarbonsäuren und Diaminen mit Kettenlängen von vorzugsweise C3 bis C15, soweit sie nicht in technischen Prozessen wie der Nylonherstellung verwendet werden, synthetische, ggf. auch aus entsprechenden nicht natürlichen D-Aminosäuren aufgebaute Polyaminosäuren wie Polyglycin, Polyalanin oder Dendrimere auf Polyamidbasis. Solche Polyamide weisen ein an die Anforderung als Indikatormaterial maßgeschneidertes Eigenschaftsprofil auf; ihr Vorteil ist es, daß die Wahrscheinlichkeit, ihre Abbauprodukte auch als Produkte des zu untersuchenden Prozesses (sog. Querkontamination durch gewöhnliche, verbreitete Polyamide) zu finden, sehr gering ist. Sie können daher in günstiger Weise dem zu untersuchenden Material zugegeben werden; da ihre Abbauprodukte leicht definierbar sind, können sie dann im Produktgemisch mit sehr sensitiven Methoden wie Gaschromatographie nachgewiesen werden, wobei auf Umrechnungen durch das Vorhandensein dieser Abbauprodukte auch im zu untersuchenden Material verzichtet werden kann. Insbesondere eignen sie sich dabei auch für den Einsatz bei der Untersuchung von Abfallströmen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Lösungen aus oligomeren Bausteinen eines Polyamids als Indikator eingesetzt. Hierfür wird ein Polyamid, z.B. ein handelsübliches Polyamid, wäßrig extrahiert. Die Extraktionsbedingungen können dabei sehr weit variieren, z.B. kann als Extraktionsmittel Wasser oder Ethanol bei unterschiedlichen Temperaturen und mit unterschiedlicher Extraktionsdauer eingesetzt werden. Bevorzugt wird eine wäßrige Extraktion gewählt, die beispielsweise bei 40- 90°C und mit Verweilzeiten zwischen 4 und 48 Stunden erfolgen kann. Bei diesem Vorgang gehen die löslichen Bestandteile des Polyamids in die flüssige Phase über. Eine solche Lösung kann nach der Extraktion eine charakteristische Zusammensetzung an Monomer, Dimer, Trimer und ggf. anderen, wasserlöslichen Oligomeren besitzen. Die Veränderung dieser Zusammensetzung während einer chemischen, thermischen oder physikalischen Behandlung ist eine leicht zu analysierender Parameter, der eine spezifische Aussage über die vorhandenen Prozeßbedingungen erlaubt.
Die Möglichkeiten der Nutzung diesen neuen Indikators werden nachfolgend ausführlicher beschrieben. A) Abbildung von Reaktionen
Polyamid ist geeignet, als Indikator das Ausmaß der hydrolytischen Spaltung von Peptidbindungen in Polymeren aus Aminosäuren abzubilden (Beispiel 1 ). Die bereits beschriebene Analogie zwischen RSA und PA-6 unter sauren Hydrolysebedingungen belegt, daß es möglich ist, Korrelationen zwischen dem Verhalten von Peptidbindungen z.B. in Proteinen und denen in PA herzustellen. Dies eröffnet die Möglichkeit, mit PA als Indikator Prozesse abzubilden und Produkteigenschaften in technischen Anlagen zu überwachen, ohne die Produkte selbst analysieren zu müssen. Erforderlich für ein derartiges Vorgehen ist lediglich ein experimenteller Abgleich zwischen dem Verhalten des ausgewählten Polyamids und dem Zielprodukt (z.B. Protein, Enzym, Peptid). Auf Basis experimentell zu ermittelnder Daten sind Korrelationen zwischen Produkt und Indikator herzustellen. Der Indikator kann dann dem Prozeßmedium zugesetzt werden und liefert dabei in Abhängigkeit von seiner thermischen/physikalischen/chemischen Belastung über der Zeit (z.B. durch die Änderung seiner Molmassenverteilung oder durch die Aktivierung eines Farbstoffs in einer Polyamid-Hülle) eine Aussage über die realen Behandlungsbedingungen im Prozeß. Auf Basis statistischer Auswertungen der Indikatorergebnisse wird eine Aussage auf den Behandlungsgrad des Zielprodukts ermöglicht. PA kann als Indikator zur Abbildung von Hydrolyseprozessen eingesetzt werden z.B. bei der Herstellung von Gelatine und Würzen oder in Prozessen der Proteinhydrolyse für Food-Ingredients und technische Produkte, aber auch für die Abbildung der Thermodruck-Hydrolyse im Bereich der Abfallwirtschaft.
Auch die Temperatur-Zeit-Belastung bei der thermischen Zersetzung von organischen, Saureamidgruppen enthaltenden Polymermaterialien kann mit Hilfe des Indikators ermittelt werden. Aus Untersuchungen in Großbritannien ist bekannt, daß in den Rückständen von thermischen Prozessen (z.B. in Kohlefeuerungsanlagen), in deren Input Protein-haltiges Tiermehl gegeben wurde, Aminosäuren nachzuweisen sind (http://www.environment-agency.gov.uk/business/ippc /107824/bse_risks/). Dies belegt, daß die thermische Umsetzung der Proteine in technischen Verbrennungsanlagen nicht vollständig in C02, Wasser und Stickoxide erfolgt. Die Konzentration der freien Aminosäuren (Monomere) und das Dimeren- und Oligomerenmuster der Aminosäuren geben einen Aufschluß darüber, wie weitgehend die Umsetzung des proteinhaltigen Materials abgelaufen ist. Damit wird gezeigt, daß Brüche an den Saureamidgruppen in Proteinen (speziell Peptid-Bindungen) als Indiz für den Grad der thermischen Umsetzung von säureamidgruppenhaltigem Material herangezogen werden können. Saureamidgruppen in Proteinen (z.B. Prionen) sind demnach sensitiv gegenüber thermischen Belastungen. Analog verhält sich Polyamid. Im Falle von PA-6 bestehen die thermischen Reaktionsprodukte bis zu einer Temperatur von 500 °C zu über 90 % aus Caprolactam [H. Bockhom, A. Hornung, U. Hornung, J. Weichmann, Thermochim. Acta 337 (1999) 97-110]. Die Säureamidbrücke ist auch hier sensitiv gegenüber thermischer Belastung. Eine besondere Eigenschaft von PA-6 ist, daß es in Abhängigkeit von der Temperatur-Zeit-Belastung die Entwicklung eines spezifischen Oligomerenmusters zeigt (Beispiel 2). Somit eignet sich PA-6 als Temperatur-Zeit- Indikator für säureamidgruppenhaltige Materialien. Die Abbildung thermischer Zersetzungsprozesse kann eingesetzt werden für den Nachweis von zentralen Kettenbrüchen in organischen Materialien. Dies ist in besonderem Maße relevant für die gesicherte Inaktivierung von infektiösen Materialien, wie z.B. von Prionen in infizierten Abfällen. Die Vorgehensweise zur experimentellen Anpassung des Indikators an das ausgewählte „Produkt,, (z.B. Prion) und zur mathematischen Auswertung der erhaltenen Daten erfolgt dabei analog zur Hydrolyse.
B) Wirksamkeit technischer Anlagen
Den Grenzwert für die Abbildung von chemischen, physikalischen oder thermischen Reaktionen bildet der Nachweis der Wirksamkeit technischer Anlagen. Hierbei wird von dem Indikator v.a. gefordert, daß er mittels einer Ja-oder-Nein-Aussage beschreibt, ob z.B. im Bereich der Abfallwirtschaft ein angestrebter Grenzwert unterschritten wird und ob die technische Anlage die zugesetzten Stoffe weitestgehend vollständig eliminiert. Um diese Aussage treffen zu können, kann eine definierter Grenzkonzentration an Indikator-Polymer, -Monomer, -Dimer oder -Oligomer festgelegt werden. Der einfachste Grenzwert ist die Forderung, daß keine der genannten Verbindungen mehr nachweisbar ist. Ein Beispiel hierfür ist die Verbrennung von proteinhaltigem Abfall, dem ein PA-Indikator zugesetzt wurde. Wenn der Vorgang der thermischen Oxidation in der untersuchten Anlage vollständig erfolgt ist, so sollte in den Verbrennungsrückständen wie Schlacke und Asche kein PA und auch kein PA- Monomer mehr nachweisbar sein. Unter den thermisch-oxidativen Bedingungen in Müllverbrennungsanlagen sollte PA vollständig mineralisiert werden. In der Realität kann aber durch eine zu kurze Verweildauer (z.B. Durchfall durch Verbrennungsrost), Sauerstoffmangel, Nässe, Kompaktierung oder ähnliche Effekte die Verbrennung unvollständig verlaufen. Diese fehlende Wirksamkeit der Anlage kann durch analytischen Nachweis von Monomern, Oligomeren und/oder anderen definierten Bruchstücken des PA in den Verbrennungsrückständen bis in den Spurenbereich eindeutig nachgewiesen werden. Die Wirksamkeit von technischen Anlagen ist somit sehr einfach zu ermitteln und mit anderen Anlagen zu vergleichen.
Vergleichbares gilt für alle technischen Anlagen, in denen säureamidgruppenhaltige Materialien verarbeitet werden, die dabei definiert aufzuspalten sind (z.B. Hydrolyse, Pyrolyse o.a.). Wenn bekannt ist, welche Bruchstücke des PA-Indikators in welchen Konzentrationen bei einer funktionsfähigen Anlage nachweisbar sein dürfen, kann bei Abweichungen von diesem Zielwert auf eine Fehlfunktion der Anlage geschlossen werden. Dies kann sowohl dadurch angezeigt werden, daß die Anlage das PA zu weit aufgespalten hat oder nicht weit genug.
Für definierte organische Verbindungen mit niedrigen Molekulargewichten wie die Mono- und niedrigen Oligomere von Polyamid kann ein breites Spektrum von Probenvorbereitungstechniken, wie sie z. B. in der Umwelt- und Störstoffanalytik zur Untersuchung von Flugaschen, Schlacken und ähnlichen Materialien eingesetzt werden, angepaßt werden. Dies erlaubt eine Isolierung und ggf. Aufkonzentrierung aus komplexen Matrices im Spurenbereich.
Die Molmassenverteilung (gleichbedeutend mit der Kettenlängenverteilung) ist eine wichtige Kenngröße polymerer Materialien. Die Gelpermeations-Chromatographie (GPC; auch als size exclusion-chromatography (SEC) bekannt) ist ein wichtiges Werkzeug, um die Komponenten eines Polymers nach der "Molekülgröße" zu trennen und die Molekulargewichtsverteilung zu bestimmen. Prozesse, die zum Kettenabbau führen, können so über die Veränderung der Kettenlängenverteilung verfolgt werden. Voraussetzung ist allerdings eine genügende Probenmenge mit vollständiger Massenbilanz, was den Einsatz in geschlossenen Systemen nahe legt (z.B. PA in einem inerten Hohlkörper aus Stahl o.a.).
Die Indikatorwirkung von Polyamid kann neben dem direkten Nachweis der Anwesenheit von Abbauprodukten oder des Polymerisationsgrades auch indirekt genutzt werden. Die kinetischen Daten der Depolymerisation in unterschiedlichen Umgebungen können dazu benutzt werden, die Auflösung des Polymers mit der Freisetzung einer eingeschlossenen Indikatorsubstanz nach Stand der Technik anzuzeigen. Definierte Abbauprozesse können entsprechend der Morphologie des Polymermaterials bzw. der Oberflächenstruktur gezielt eingestellt werden, um auf verschiedene Prozeßbedingungen eingehen zu können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das definierte Polyamid in Kombination mit einer Markersubstanz verwendet werden. In dieser Ausgestaltung wird in der Regel nicht ein Abbauprodukt des Polyamids vermessen, sondern die Markersubstanz oder eine Eigenschaft dieser Substanz. Dementsprechend kann die Markersubstanz aus einer Vielzahl von möglichen Substanzen ausgewählt werden wie z.B. Farbstoffen, welche in unterschiedlichen Spektralbereichen absorbieren können (UV/VIS, NIR, IR) oder fluoreszieren, Reaktiv-Farbstoffe, die bei Freisetzung mit Bestandteilen der Matrix reagieren, radioaktive Substanzen, chirale Substanzen, Salze seltener Elemente sowie Salze oder andere Verbindungen, die bei Freisetzung physikalische Eigenschaften (z.B. Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, ...) des umgebenden Materials verändern können. Dabei ist die Markersubstanz chemisch, physikalisch oder mechanisch an das Polyamid gekoppelt.
Zu einer physikalischen Anbindung wird die Markersubstanz z.B. adsorptiv (z.B. über Van-der-Waals-Bindungen) an das Polyamid gebunden. Alternativ bietet sich eine chemische Anbindung an, beispielsweise über eine kovalente Ankopplung reaktiver Gruppen der Markermoleküle an ein entsprechend derivatisiertes Polyamid. Dabei sind die Bedingungen so zu wählen, daß die Spaltung der Saureamidgruppen im Polyamid zu einer quantitativ vergleichbaren Freisetzung der Markersubstanz führen. Damit erlaubt die quantitativ aufgefundene Menge an Markersubstanz den direkten Rückschluß auf die Menge der gespaltenen Säureamid-Bindungen. Die Markersubstanz kann dabei homogen oder, wo es vorteilhaft erscheint, inhomogen im Polyamid verteilt sein.
Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Markersubstanz im Polyamid verborgen/verkapselt vorliegt und durch den Abbau des Polyamids freigesetzt wird. Dementsprechend kann die Markersubstanz eingeschlossen in die Partikel eines Granulates oder von (Mikro-)Kapseln mit definierter Partikelgrößenverteilung (bei Mikrokapseln z.B. im Bereich von etwa 10μm Durchmesser oder weniger) oder in eine Folie mit definierter Dicke eingesetzt werden. Kann nach Abschluß des zu untersuchenden Prozesses Markersubstanz nachgewiesen werden, kann auf das Ausmaß der Spaltung der Säureamidbrücken oder chemisch vergleichbarer Strukturen in den zu testenden Materialien derart rückgeschlossen werden, daß ein Mindestwert für den Spaltungsgrad angegeben werden kann.
Weiterhin ist es auch möglich, neben der Markersubstanz im Inneren einer Hohlkugel (Kapsel) aus polyamidhaltigem Material weitere Hilfssubstanzen in einer thermolabilen Hülle einzubringen, die zur Modellierung oder Anpassung chemischer Reaktionsbedingungen in unterschiedlichen Matrices benötigt wird. Als Beispiel hierfür sei eine Säure genannt, die eingeschlossen in schmelzbare Polyethylenkapseln in einer (größeren) Kapsel aus PA vorliegt. Das Polyamid kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auf einem inerten Trägermaterial fixiert oder mit ihm verbunden sein. So kann es z.B. auf der Oberfläche von Kieselgur-, Aluminiumoxid-, Kieselgel- oder Silikat-Teilchen aufgebracht sein.
Wenn die Indikator-Substanz der vorliegenden Erfindung, während sie den Prozeßbedingungen des zu untersuchenden Materials ausgesetzt wird, getrennt von dem säureamidgruppenhaltigen Material gehalten werden soll, besteht in einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit, sie in einen inerten und dichten Hohlkörper einzubringen, der z.B. aus Stahl bestehen kann und in dem eine definierte Feuchte und definierte pH-Werte sowie Wärmeübergangszahlen eingestellt werden können. Diese Ausgestaltung ist z.B. für thermische Prozesse geeignet, in denen trotz der Trennung verläßlich identische Bedingungen eingehalten werden müssen und können. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Substanz in einen Hohlkörper mit semipermeabler Wandung (z.B. aus Keramik) eingebracht wird, durch welche ein Druck-, Feuchte- und/oder pH-Wert-Ausgleich zwischen der Umgebung und dem Inneren des Hohlkörpers stattfindet. Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, die Substanz verläßlich denselben Prozeßbedingungen auszusetzen, denen auch das zu untersuchende Material unterworfen wird, ohne daß sie sich mit diesem mischt. Sie kann daher nach Abschluß des Prozesses aus dem Hohlkörper entnommen und direkt vermessen werden, was sie Sensitivität der Messung erhöht.
Das Polyamid kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in eine Matrix aus einem mit Wasser quellbaren Polymer, vorzugsweise Polyacrylat, eingebunden werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, daß in der Matrix eine definierte Feuchte herrscht oder eingestellt werden kann.
Um die Ähnlichkeit des chemischen Verhaltens von Polyamid und Aminosäurebasierten Polymeren zu belegen, sind im Folgenden beispielhaft zwei experimentelle Untersuchungen beschrieben.
Beispiel 1 : PA-6 als Indikator für Proteinhydrolyse
Es wurden Rinderserumalbumin (RSA) mit einer mittleren Molmasse von ca. 68 kD und eine 15 μm dicke Polyamid 6-Folie mit einer mittleren Molmasse von etwa 58 kD unter identischen Bedingungen (6 % HCI, 95 °C) im wäßrigen Milieu hydrolysiert. Die Veränderungen der mittleren Molmassen über der Zeit wurden beim RSA mittels HPLC und bei PA-6 mittels GPC bestimmt. Der zeitliche Verlauf der Untersuchung ist in Figur 2 dargestellt. Unter Berücksichtigung der Unterschiede in den analytischen Meßverfahren ist ein hohes Maß an Ähnlichkeit zu erkennen. Die Ähnlichkeit im Verhalten von PA-6 mit dem untersuchten Protein zeichnet PA aus, um als Indikatormaterial für Veränderungen an den Peptidbindungen bei der Hydrolyse von Proteinen eingesetzt zu werden.
Beispiel 2: PA-6 als Indikator für die Zersetzung von Proteinen:
Untersuchungen in Großbritannien (http://www.environment-agency.gov.uk /business/ippc/107824/bse_risks/) belegen, daß die Verteilung von Bruchstücken, die an den Peptid-Bindungen von Proteinen gebrochen sind, als Indiz für den Grad der thermischen Umsetzung von säureamidbrückenhaltigem Material herangezogen werden können. Saureamidgruppen in Proteinen (z.B. Prionen) sind demnach sensitiv gegenüber thermischen Belastungen.
In weiteren eigenen Untersuchungen wurde gezeigt, daß auch die Peptidbindungen in PA sensitiv gegenüber thermischen Belastungen sind. Es wurden Versuchsreihen mit Oligomeren-freiem PA-6 bei 230°C durchgeführt und die Di- und Oligomerenkonzentrationen in den Rückständen bestimmt (Figuren 3 und 4). Hierbei wurde deutlich, daß die Konzentration der Mono, Di- und Oligomeren das Bild der Reaktionsprodukte dominieren. Die Dimerenkonzentration des PA-6 (Figur 4) ist besonders sensitiv gegenüber Unterschieden in der Temperatur-Zeit-Belastung. Somit ist PA-6 auch ein idealer Indikator für die thermische Belastung von Saureamidgruppen enthaltenden Stoffen und im Speziellen für Stoffe mit Peptidbindungen.

Claims

Ansprüche:
1. Indikator zum Bestimmen des Spaltungsgrades von verbrückenden Saureamidgruppen und/oder solchen chemisch analog reagierenden Gruppen in einem Material, das solche Gruppen enthielt und Bedingungen unterworfen wurde, durch welche diese Gruppen zumindest teilweise gespalten wurden, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator eine Polyamid-haltige Substanz umfaßt oder daraus besteht.
2. Indikator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die polyamidhaltige Substanz im wesentlichen oder ausschließlich aus einem definierten, vorzugsweise reinen Polyamid besteht.
3. Indikator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das definierte oder reine Polyamid ein Dimer, ein mehr als zwei Struktureinheiten umfassendes Oligomer, oder eine Mischung verschiedener Di- und/oder Oligomere ist.
4. Indikator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyamid als Granulat, in Form von Kügelchen mit einem Durchmesser im Bereich von vorzugsweise zwischen 100μm bis 10 mm oder in Form einer Folie mit einer Dicke von vorzugsweise 10 - 1000 μm, als Pulver, vorzugsweise mit einer Partikelgröße zwischen 1 μm und 100 μm, oder als wäßrige oder alkoholische Di- und/oder Oligomerenlösung vorliegt.
5. Indikator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin eine Markersubstanz umfaßt, die fest an die polyamidhaltige Substanz gebunden oder in ihr verborgen/verkapselt vorliegt, aber bei einer Spaltung des Polyamids freigesetzt wird.
6. Indikator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Markersubstanz kovalent oder adsorptiv an das Polyamid gebunden ist, derart, daß sie homogen verteilt vorliegt, wobei der Indikator die Form eines Granulats, von Kügelchen oder einer Folie aufweist.
7. Indikator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Markersubstanz in Kapseln mit definierter Wandstärke und/oder Partikelgröße oder Partikelgrößenverteilung oder in eine Folie mit definierter Dicke eingeschlossen ist, wobei die Kapseln bzw. die Folie im wesentlichen oder ganz aus Polyamid bestehen/besteht.
8. Indikator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Kapseln um Mikrokapseln mit Durchmessern im Bereich von 10 μm oder darunter handelt.
9. Indikator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem inerten und dichten Hohlkörper vorliegt, in dem eine definierte Feuchte und definierte pH-Werte sowie Wärmeübergangszahlen eingestellt werden können, vorzugsweise in einem Hohlkörper aus Stahl.
10. Indikator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Hohlkörper mit semipermeabler Wandung vorliegt, durch welche ein Druck- , Feuchte- und/oder pH-Wert-Ausgleich zwischen der Umgebung und dem Inneren des Hohlkörpers stattfinden kann, vorzugsweise in einem Hohlkörper aus Keramik.
11. Indikator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyamid in eine Matrix aus einem mit Wasser quellbaren Polymer, vorzugsweise aus Polyacrylat, eingebracht ist, in der eine definierte Feuchte herrscht oder eingestellt werden kann.
12. Indikator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyamid auf einem inerten Trägermaterial fixiert oder mit ihm verbunden ist, vorzugsweise auf einem Träger in Form von Kieselgur-, Aluminiumoxid-, Kieselgel- oder Silikat-Teilchen.
13. Indikator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyamid ausgewählt ist unter handelsüblichen Polyamiden, vorzugsweise unter Homopolyamiden vom Aminocarbonsäuretyp, insbesondere Polyamid 6, Polyamid 12, und unter Homopolyamiden vom Diamin- Dicarbonsäuretyp, insbesondere Polyamid 66.
14. Indikator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyamid ausgewählt ist unter Polyamiden aus seltenen, ungewöhnlichen oder bisher nicht bekannten Monomeren, insbesondere aus Polymeren aus aliphatischen Dicarbonsäuren und Diaminen mit Kettenlängen von vorzugsweise C3 bis C15, soweit sie nicht in technischen Prozessen wie der Nylonherstellung verwendet werden, synthetischen Polyaminosäuren oder Dendrimeren auf Polyamidbasis.
15. Verwendung eines Indikators nach einem der voranstehenden Ansprüche zum Bestimmen des Spaltungsgrades von verbrückenden Saureamidgruppen und/oder solchen chemisch analog reagierenden Gruppen in einem Material, das solche Gruppen enthielt und Bedingungen unterworfen wurde, durch welche diese Gruppen zumindest teilweise gespalten wurden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingungen, dem das genannte Material unterworfen wurde, chemische und/oder physikalische, insbesondere hydrolysierende oder thermolysierende Bedingungen sind.
16. Verwendung eines Indikators nach Anspruch 15 zum Bestimmen des Hydrolysegrades von aus Proteinen erzeugten Produkten oder zum Bestimmen des Inaktivierungsgrades von Enzymen oder Prionen oder von bakteriellen, viralen oder sonstigen Krankheitserregern.
17. Verwendung eines Indikators nach Anspruch 15 oder Anspruch 16 bei der Herstellung von Produkten des Lebensmittelsektors, bei thermischen Inaktivierungs-Behandlungen von nativen Materialien, bei thermischen oder hydrolytischen Aufschlußbehandlungen von organischen, vorzugsweise nativen Materialien, bei der Thermodruckhydrolyse, oder bei der thermolytischen Energiegewinnung.
18. Verfahren zum Bestimmen des Spaltungsgrades verbrückender Saureamidgruppen und/oder solcher chemisch analog reagierender Gruppen in einem Material, das solche Gruppen enthält und Bedingungen unterworfen werden soll, durch welche diese Gruppen zumindest teilweise gespalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Material in Gegenwart einer polyamidhaltigen Indikatorsubstanz den genannten Bedingungen unterworfen wird, worauf ein bekanntes, unter den genannten Bedingungen entstehendes Produkt der polyamidhaltigen Indikatorsubstanz qualitativ oder quantitativ detektiert und vom Vorhandensein dieses Produkts auf den Abbaugrad der genannten verbrückenden Gruppen rückgeschlossen wird.
19. Verfahren zum Bestimmen des Spaltungsgrades verbrückender Saureamidgruppen und/oder solcher chemisch analog reagierender Gruppen in einem Material, das solche Gruppen enthält und Bedingungen unterworfen werden soll, durch welche diese Gruppen zumindest teilweise gespalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Material und die polyamidhaltige Indikatorsubstanz räumlich voneinander getrennt den genannten Bedingungen unterworfen werden, worauf mindestens ein bekanntes, unter den genannten Bedingungen entstehendes Produkt der polyamidhaltigen Indikatorsubstanz qualitativ oder quantitativ detektiert und vom Vorhandensein dieses Produkts auf den Abbaugrad der genannten verbrückenden Gruppen rückgeschlossen wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator im wesentlichen oder vollständig aus einem Polyamid besteht, von dem zumindest ein bei den genannten Bedingungen entstehendes Abbauprodukt bekannt ist, daß dieses Abbauprodukt detektiert wird und daß, ggf. nach Erstellen experimentell zu ermittelnder Korrelationen, vom Vorhandensein dieses Abbauprodukts auf den Anteil von gespaltenen Saureamidgruppen und/oder chemisch analog reagierenden Gruppen in dem genannten Material rückgeschlossen wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyamid ein handelsübliches Polyamid, insbesondere PA-6, ist und daß das detektierte Abbauprodukt eine Substanz ist, ausgewählt unter ε-Aminocapronsäure, Caprolactam, den Dimeren, Trimeren, Tetrameren oder Pentameren dieser Verbindungen oder Mischungen hiervon.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyamid ein solches ist, das in der Natur und/oder im zivilisatorischen Stoffkreislauf nicht oder kaum vorhanden ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das qualitativ oder quantitativ zu detektierende Produkt mit Hilfe analytischer Verfahren, ausgewählt unter Bestimmung von Molmassenverteilung, z.B. GPC, Bestimmung von Oligomerenverteilung, z.B. HPLC-MS, oder Gaschromatographie oder MS/MS, aufgefunden wird.
24. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die polyamidhaltige Indikatorsubstanz weiterhin eine Markersubstanz enthält, die physikalisch oder chemisch an die polyamidhaltige Substanz gebunden oder in ihr verborgen/verkapselt vorliegt, aber bei einer Spaltung des Polyamids freigesetzt wird, und daß diese Markersubstanz als das bekannte Produkt des Abbaus des Polyamids detektiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die polyamidhaltige Indikatorsubstanz in einem inerten und dichten Hohlkörper vorliegt, in dem eine definierte Feuchte und definierte pH-Werte sowie Wärmeübergangszahlen eingestellt werden können, vorzugsweise in einem Hohlkörper aus Stahl, oder daß sie in einem Hohlkörper mit semipermeabler Wandung vorliegt, durch welche ein Druck-, Feuchte- und/oder pH-Wert-Ausgleich zwischen der Umgebung und dem Inneren des Hohlkörpers stattfinden kann, vorzugsweise in einem Hohlkörper aus Keramik, und daß der Hohlkörper nach Abschluß des Zeitraums, währenddessen das Material den genannten Bedingungen unterworfen wird, aus dem Material entnommen wird, worauf das unter den genannten Bedingungen entstehende Produkt der polyamidhaltigen Indikatorsubstanz detektiert wird.
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