EP1841526A2 - Verfahren zur herstellung von kationisierten adsorbentien, danach erhältliche sorptionsmittel sowie deren bevorzugte verwendung - Google Patents

Verfahren zur herstellung von kationisierten adsorbentien, danach erhältliche sorptionsmittel sowie deren bevorzugte verwendung

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Publication number
EP1841526A2
EP1841526A2 EP06706266A EP06706266A EP1841526A2 EP 1841526 A2 EP1841526 A2 EP 1841526A2 EP 06706266 A EP06706266 A EP 06706266A EP 06706266 A EP06706266 A EP 06706266A EP 1841526 A2 EP1841526 A2 EP 1841526A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layered silicate
cationized
sorbent
use according
biomolecule
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06706266A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Sohling
Hubertus Besting
Genovefa Wendrich
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.)
Sued Chemie AG
Original Assignee
Sued Chemie AG
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 Sued Chemie AG filed Critical Sued Chemie AG
Publication of EP1841526A2 publication Critical patent/EP1841526A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H21/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties
    • D21H21/02—Agents for preventing deposition on the paper mill equipment, e.g. pitch or slime control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D15/00—Separating processes involving the treatment of liquids with solid sorbents; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/10—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising silica or silicate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/28—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/281—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using inorganic sorbents
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • D21H17/63—Inorganic compounds
    • D21H17/67—Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments
    • D21H17/68—Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments siliceous, e.g. clays
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H11/00—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only
    • D21H11/08—Mechanical or thermomechanical pulp
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H11/00—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only
    • D21H11/10—Mixtures of chemical and mechanical pulp

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing a cationized layered silicate in a "dry" process. Also described is an advantageous cationized layered silicate (adsorbent having a positive surface charge) obtainable and its preferred use.
  • Adsorbents with a positive surface charge are of interest for a variety of applications. This concerns for example a removal of impurities from paper cycles. For many colloidal contaminants (eg tree rosin colloids) negative surface charges are generally discussed. Another application of such adsorbents is their use in separation processes in biotechnology for the purification of proteins and nucleic acids.
  • US 4,964,955 describes a method for pitch control in papermaking. First, a water-soluble polymer is dissolved in water and contacted with a particulate substantially water-insoluble substrate, thereby obtaining a slurry of the composite impurity eliminating component. This method corresponds to the known from the prior art method for the cationization of kaolin clays.
  • the invention thus relates to a process for producing a cationized sorbent, wherein a dry particulate substrate is dry-ground with a polyelectrolyte. More specifically, one aspect of the present invention relates to a method according to claim 1. Advantageous embodiments are given in the subclaims.
  • the invention relates to a process for producing a cationized layered silicate, comprising the steps of: (a) providing a dry particulate layered silicate, (b) contacting the dry particulate layered silicate with at least one cationic polyelectrolyte, wherein contacting according to step b) by a dry grinding and wherein no suspension or slurry of the layered silicate is formed, but directly a dry cationized layered silicate is obtained.
  • the dry particulate phyllosilicate is brought into contact with the at least one cationic polyelectrolyte by grinding. It has thus been found, surprisingly, that a particularly advantageous cationization of the particulate phyllosilicate can take place by the grinding during the incipient introduction. It is believed, without the invention being limited to the correctness of this assumption, that the grinding when contacting the dry particulate layered silicate with the at least one cationic polyelectrolyte produces new (fresh) surfaces of the layered silicate which can be directly occupied by the polyelectrolyte , This creates both a very stable and on the Surface concentrated loading , of the sheet silicate with the polyelectrolyte.
  • Dry milling also minimizes the incorporation of the polyelectrolyte.
  • Such incorporated polyelectrolytes are only conditionally available when using the cationic layered silicates. It "is assumed, without the invention being limited to the accuracy of this assumption that or by avoiding a slurry or suspension during milling. Contact of the two components, a particularly advantageous surface coverage of the particulate phyllosilicate with the can be done a cationic polyelectrolyte at least.
  • the products of the invention are characterized in that that the positive charges are located on the outside of the adsorbent particle and are readily accessible to adsorbates, which is particularly advantageous for separation processes when it comes to the separation of large colloids, such as impurities in papermaking, or the separation of large molecules such as biomolecules, e.g. B. DNA.
  • Milling is preferably understood to mean a treatment in which the average particle size (D50) of the Layer silicate by at least 5%, preferably at least 10%, in particular at least 20%, more preferably at least 40% reduced.
  • the D90 value of the layered silica particles decreases by at least 5%, preferably at least 10%, in particular at least 20%, more preferably at least 40%.
  • both components are preferred, i. H. the particulate substrate, in particular the smectic layered silicate and the at least one cationic polyelectrolyte dry, d. H. as solids, used and mixed / ground.
  • the high surface coverage of the layered silicate favors.
  • the method according to the invention also ensures that the polyelectrolytes attach themselves to the surface of a particle of the layer silicate particularly tightly and over at least a large part of the molecule length of the polyelectrolyte and thus can produce a higher surface charge density than in the case of one Mixing in a suspension where there is a risk of "storage" of the polyelectrolyte.
  • the cationized phyllosilicates (in dry form) produced by the process according to the invention are substantially more storage-stable than the slurries or suspensions produced according to the prior art.
  • the surface charge density and the zeta potential hardly decreases even with prolonged storage over days, weeks or even months.
  • At least one dry particulate phyllosilicate is used.
  • dry is intended to clarify the contrast to a use or mixture in the form of a slurry or suspension.
  • the particulate smectic sheet silicate used is free-flowing.
  • the layered silicate has a water content (moisture content) of 25% by weight or less, in particular 20% by weight or less, more preferably between 3 and 20% by weight. -%, in particular between 6 and 15 wt. -%, determined by drying to constant weight at 130 0 C, on. This favors the above-described surface coverage with high charge density.
  • the particle size of the layered silicate used can vary within wide limits, depending on the intended application. It can be both a powder and a granulate. Even larger moldings are conceivable.
  • the particulate layered silicate used is relatively finely divided. According to a preferred embodiment of the invention, it has an average particle size Sizes (D50, based on the sample volume) between 0, 1 and 30 .mu.m, in particular between 0, 1 and 25 .mu.m, preferably between 0, 5 and 15 .mu.m, more preferably between 0, 5 to 10 .mu.m. It has been shown that the advantages of the "dry" cationization according to the invention are particularly evident in such fine-particle phyllosilicates. For many applications in solution z. B.
  • finely divided materials in particular having an average particle size (D50, based on the sample volume) of between 0.1 and 30 ⁇ m, in particular between 0.1 and 25 ⁇ m, preferably between 0.5 and 15 ⁇ m, more preferably between 0.5 to 10 ⁇ m are used.
  • D50 average particle size
  • the particle size (D90) after grinding it will often be advantageous for the particle size (D90) after grinding to be at least about 20 ⁇ m, preferably at least 40 ⁇ m, in particular at least 60 ⁇ m. In one embodiment, the D90 value is about 150 ⁇ m or less.
  • any phyllosilicates including natural or synthetic phyllosilicates and mixtures thereof can be used according to the invention. These are known to those skilled in the art.
  • Two- or three-layer silicates, in particular smectic layered silicates, are preferably used, since their structure is particularly suitable for use with polyelectrolyte with grinding.
  • Preferred smectite layered silicates include, for example, those containing montmorillonite, hectorite, nontronite or saponite.
  • the smectitic layered silicate is a montmorillonite, in particular a bentonite, more preferably a calcium bentonite.
  • smectic layered silicates which, as an alternative or in addition to calcium, have one or more other cations in the intermediate layers, such as, for example, B. Sodium, magnesium, potassium or the like. It can be both untreated bentonite as well acid-activated phyllosilicates can be used. In this case, the acid activation can be carried out by any method familiar to the person skilled in the art. Preferably it is not organophilic clay materials or. layered silicates coated with organic cations (eg onium ions). The phyllosilicates used should also preferably not have been previously brought into contact with a polyelectrolyte before being brought into contact with the polyelectrolyte according to the invention by dry grinding.
  • any substrates can be used as long as they have a surface which can be modified or coated with at least one polyelectrolyte.
  • Both inorganic and organic substrates are included.
  • the substrate is substantially insoluble in the medium containing the at least one molecule to be sorbed. Preference is given to inorganic substrates.
  • the substrate is selected from the group of natural and synthetic phyllosilicates, silicic acids, in particular precipitated silicas, silica gels, magnesium silicates, zeolites, aluminas, in particular porous aluminas, Titanium dioxide, zirconium oxide, or mixtures thereof.
  • these substrates are essentially insoluble in the preferred media and have good sorption properties.
  • the statements on layered silicates as substrates for the coating with polyelectrolyte therefore also apply correspondingly to other substrates.
  • the particulate layer silicate is wholly or partly replaced by another particulate substrate, in particular selected from the above group of inorganic substrates.
  • the inorganic substrates may be of both synthetic and natural origin. Suitable substrates of natural origin are, for example, bentonites in sodium form, calcium form or sodium / calcium bentonites. Also suitable are substrates such. B. Attapulgite, hectorite, mica and others a. However, preferred materials here are those with particularly high specific surface areas such as phyllosilicates, bleaching earths, silica gels, filled silicas, porous aluminas, etc.
  • a non-limiting preferred range is therefore a BET surface area of at least 50 m 2 / g, in particular at least 100 m 2 / g, particularly preferably at least 130 m 2 / g, or a BET surface area between 10 and 300 m 2 / g, in particular between 40 and 200 m 2 / g (determined according to DIN 66131).
  • the smectic layered silicate used has a swelling capacity of about 5 to 50 ml / 2g, in particular from about 8 to 40 ml / 2g.
  • At least one cationic polyelectrolyte is used for cationizing the smectic layered silicate.
  • Polyelectrolytes as such are familiar to the person skilled in the art, wherein, for example, Römpp Lexikon Chemie, 10th edition (1998), Georg Thieme Verlag, p. 3438/3439 can be referenced.
  • the polyelectrolyte is preferably a cationic polymer, in particular a water-soluble cationic polymer.
  • the polyelectrolytes are preferably used in solid form. Preferred are polyelectrolytes with permanent positive charge.
  • polyelectrolytes which, owing to their pH, are positively or protonated in solutions or with reactions of acid groups on the surface of the smectic layered silicate.
  • Suitable for the surface modification are, without limitation, for example, the following polyelectrolytes: poly (diallyl-dimethylammonium chloride), abbreviated Polydadmac, cationic polyacrylamides, polyethyleneimines, cationized starches, cationized celluloses.
  • the polymers can be used both linearly or in branched form.
  • Useful cationic polymers also include those listed, for example, in US 4,964,955, e.g. Salts, such as quaternary ammonium salts and acid addition salts of aminoacrylates and salts, such as quaternary ammonium salts and acid addition salts of diallylamines containing substituents such as carboxylate, cyano, ether, amino (primary, secondary or tertiary ), Amide, hydrazide and hydroxyl groups and the like whose zeta potential is sufficiently positive to produce particulate smectic phyllosilicates having zeta potentials of at least about +30 mV, preferably between about +60 and about +80 mV (about + 0, 06 to about +0, 08 V) or higher.
  • Salts such as quaternary ammonium salts and acid addition salts of aminoacrylates and salts, such as quaternary ammonium salts and acid addition salts of diallylamines containing substituents such as
  • Such cationic polymers are poly (alkyltrimethylammonium chlorides), poly (alkyltrimethylammonium bromides), poly (dialkyldiallylammonium halides) such as poly (diallyldimethylammonium chloride) and poly (diallyldimethylammonium bromide), poly (methacryloyloxyethyltrimethylammonium methylsulfate), poly (methacryloyloxyethyltrimethylammonium chloride), poly (methoxy) acryloyloxyethyldimethylammonium chloride), poly (methacryloyl-oxyethyldimethylammonium acetate), poly (methyldiallylammonium acetate), poly (diallylammonium chloride), poly (N-methyldiallyl-artunonium bromide), poly (2,2'-dimethyl-N-methyldiallylammonium chloride), poly (N ethyldiallylammonium bro
  • N-acetamido diallyl ammonium chloride poly (N-cyanomethyldiallyl ammonium chloride), poly (N-propionamido diallyl ammonium bromide), poly (N-acetyl ethyl ester substituted diallyl ammonium chloride), poly (N-ethyl methyl ester substituted diallyl auronyl chloride), poly (N-ethylamine diallyl ammonium chloride), poly (N- hydroxyethyldiallylammonium bromide), poly (N-acetohydrazide substituted dialkylammonium chloride), poly (vinylbenzyltrimethylammonium chloride) , Poly (vinylbenzyltrimethylammoniumbromid), poly (2-vinyl pyridinium chloride), poly (2-vinylpyridinium bromide) r poly (meth acrylamidopropyldimethylaininoniumchlorid), poly (3-meth
  • Another class of cationic polymers useful in the practice of the present invention include naturally occurring polymers such as casein, chitosan and their derivatives.
  • a particularly preferred cationic polymer is poly (diallyl dimethyl ammonium chloride) having the repeating unit:
  • n is preferably about 600 to about 3500, d. H .
  • Poly (di-allyldimethylammonium) chloride polymers having an average molecular weight between about 100,000 and about 500,000. It is also possible to use mixtures of two or more of the above polyelectrolytes.
  • Multilayer polyelectrolyte coatings of the smectic layered silicate are conceivable and covered by the present invention.
  • oppositely charged polyelectrolytes are applied alternately "dry” (as described herein) to the layered silicate.
  • the zeta potential of the inventively prepared cationized phyllosilicates at more than 35 mV, in particular at more than 50 mV.
  • the surface charge density of the cationized layer silicates prepared according to the invention is more than 10 ⁇ eq / g, in particular more than 20 ⁇ eq / g.
  • the mixture produced by the contacting can contain so much solvent that the particles in the mixture become moist and, if appropriate, form agglomerates, but no slurry or suspension is produced.
  • a dry cationized phyllosilicate according to step (b) above it may be advantageous, after contacting to produce a dry cationized phyllosilicate according to step (b) above, to carry out a conventional drying on the desired degree of drying after application and, if appropriate, grinding to the desired degree of grinding.
  • the production of any shaped bodies, eg. B. using binders is possible.
  • the present invention relates to a cationized smectic layered silicate obtainable by a process as described herein.
  • the "dry" process according to the invention causes a special type of surface coating of the layered silicate, resulting in particularly advantageous product properties such as a higher surface charge density (at the same weight fraction of the polyelectrolyte) and, for example, an improved storage stability than products of the prior art expresses.
  • the products prepared by the process according to the invention z. B. in the removal of contaminants in papermaking or in the sorption of biomolecules such as DNA better results.
  • another aspect of the present invention relates to a process for impurity binding in papermaking, comprising the following steps:
  • the groundwood content in the paper pulp or the fiber suspension is at least 10% by weight, in particular 30% by weight. %, based on the total pulp or pulp suspension.
  • Another aspect of the present invention relates to the use of a cationized layered silicate obtainable by a process as described herein for contaminant binder. fertil in papermaking, especially in a process as set forth above.
  • anionic impurities which are introduced into the paper machine by recycling paper broke. This paper break is typically redispersed and introduced into the paper machine. As a result, the ingredients and aids contained in it are completely recycled. Entered thereby be additionally z.
  • Other anionic charged impurities are the latexes used in the paper coating which, while typically hydrophobic, still carry anionic charges. These are highly prone to agglomeration, whereby the agglomerates are deposited as sticky, white residues on the paper machine (so-called white pitch).
  • the adsorbents of the invention are typically suitable for binding these impurities, as shown by the examples given below.
  • the adsorbents according to the invention reduce the need for cationic charges in the paper headbox. This demonstrates the binding of the negatively charged impurities by charge exchange bonds.
  • the cationic charge requirement is typically determined by a titration with short-chain polyelectrolytes.
  • the removal of the impurities can also be detected by further experimental methods, such.
  • B. Turbidity measurements which prove in particular that large colloids, such.
  • B. Tree resin (so-called pitch) can be removed using the adsorbents of the invention.
  • a further use according to the invention therefore relates to the use of a cationized layered silicate obtainable by a process as defined above for the sorption of biomolecules such as proteins, nucleic acids, polysaccharides or lipids, in particular of nucleic acids such as DNA.
  • the invention relates to a method for sorption, in particular for enrichment or depletion, removal or recovery or separation of at least one biomolecule from a liquid or fluid medium with the aid of a sorbent, wherein the sorbent comprises at least one adsorbent (cationized layered silicate) prepared according to the method described herein.
  • the sorbent according to the invention for example, for separation or. Purification of DNA and the separation or purification of proteins are used, even in a supported form.
  • the adsorbents according to the invention can be used instead of conventional adsorbents in appropriate form (for example as powder, granules, shaped bodies, supported, as column packing, etc.) and metering, if appropriate.
  • the adsorbents or sorbents used according to the invention have a surprisingly high binding capacity for biomolecules, such as nucleic acids, which are even better than those of commercial adsorption systems of the prior art. Furthermore, they show a particularly rapid binding kinetics. It is also advantageous that the bound biomolecules can be practically quantitatively removed again from the sorbent.
  • adsorbents which are suitable for selectively binding or separating biomolecules.
  • ion exchangers represent the most frequently used adsorbents for the separation of proteins with other biomolecules.
  • the adsorbents according to the invention provide interesting new alternatives for the binding of Proteins, DNA and other biomolecules via a charge interaction.
  • the cationic adsorbents according to the invention for a separation of proteins to bind those proteins in which one has adjusted in the adsorption solution pH values which are above the isoelectric points of the proteins.
  • a particular aspect of the present invention relates to a method for sorption, in particular for attachment or depletion, removal, recovery or separation of at least one nucleic acid molecule, preferably from a liquid or fluid medium, in particular a polar as well as an aqueous or alcoholic medium Help of a sorptive onsstoffs, wherein the sorbent comprises at least one cationized adsorbent as defined in more detail herein.
  • Sorbents are thus both suitable to separate biomolecules such as nucleic acids or proteins, as well as from appropriate solutions / media to accumulate or deplete to win or remove:
  • the almost quantitative recovery rate on elution with suitable, usually high-salt buffers shows that it it is also possible to recover the bound biomolecules again.
  • the fields of application for such sorbents are diverse. Without limiting this invention to the following examples, a few possible applications are to be cited.
  • B. a separation of nucleic acids from a multi-substance mixture or the depletion of DNA from wastewater from biotechnological production residues with genetically modified organisms.
  • the sorbent according to the invention can also be used for all molecular biological, microbiological or biotechnological methods in connection with biomolecules, in particular their enrichment or depletion, separation, transient or permanent immobilization or other utilization. Exemplary methods and methods can be found in relevant textbooks, such as Sambrook et al. , "Molecular Cloning: A Laboratory Manual", CoId Spring Harbor Press 2001 and are familiar to those skilled in the art. Also in the context of the chromatographic separation of nucleic acids or proteins, the present sorbent can be used.
  • Nucleic acids are to be understood primarily DNA and RNA species, including genomic DNA and cDNA and their fragments, mRNA, tRNA, rRNA and other nucleic acid derivatives of natural or synthetic origin of any length.
  • sorption is intended to include both adsorption and absorption.
  • adsorbent is used synonymously with “absorbent”. The adsorbent is obtained by treating the substrate with the at least one cationic polyelectrolyte.
  • sorbent is intended to clarify that in addition to the adsorbent (also referred to as “ cationized adsorbent” or “ cationized layered silicate ⁇ ) may be included in other adsorbents (for biomolecules).
  • the sorbent used in the invention is based on an adsorbent to which at least one cationic polyelectrolyte has been adsorbed (referred to herein as a cationized adsorbent), d. H. at least 50%, preferably at least 75%, in particular at least 90 or even 95% of the sorbent according to the invention consisting of the cationized adsorbent, as defined herein.
  • the sorbent according to the invention consists essentially or completely of at least one cationized adsorbent as described herein.
  • the sorbent used according to the invention can also be used together with other sorbents or further components which appear suitable to a person skilled in the art.
  • biomolecule mixtures such as nucleic acid mixtures
  • a matrix (carrier) containing the sorption agent according to the invention containing the sorption agent according to the invention.
  • the adsorbents according to the invention are, however, in principle also suitable for the separation or purification of proteins and other biomolecules.
  • a biomolecule is understood as meaning a molecule which has nucleotides or blocks as building blocks. Nucleosides (nucleobases), amino acids, monosaccharides and / or fatty acids in particular proteins, nucleic acids, polysaccharides and / or lipids, preferably nucleic acids such as DNA and proteins.
  • the use for the sorption of nucleic acids is particularly preferred.
  • any desired substrates can be used as long as they have a surface which can be modified or coated with at least one polyelectrolyte.
  • Both inorganic and organic substrates are included.
  • the substrate is substantially insoluble in the medium containing the at least one biomolecule.
  • inorganic substrates Preference is given to inorganic substrates. It has also been found that particularly advantageous results are obtained when the substrate is selected from the group of natural and synthetic phyllosilicates, silicic acids, in particular precipitated silicas, silica gels, magnesium silicates, zeolites, aluminas, in particular porous aluminas, Titanium dioxide, zirconium oxide, or mixtures thereof.
  • these substrates are essentially insoluble in the preferred media and have good sorption properties.
  • the adsorbent is selected from the group of natural or synthetic layered silicates or mixtures thereof.
  • layered silicates are familiar to the person skilled in the art and include, in particular, the smectitic or montmorillonite-containing layered silicates, such as bentonite.
  • both so-called naturally active and non-naturally active layered silicates can be used, in particular di- and tri-octahedral sheet silicates of the serpentine, kaolin and TaIk- pyrophylitzy, snaektites, vermiculites, hats and chlorites and those of the sepiolite Palygorskit group, such as for example B. Montmorillonite, soda lime, saponite and vermiculite or hectorite, - -
  • Weathering products of clays with a specific surface area of more than 200 m 2 / g, a pore volume of more than 0.5 ml / g and an ion exchange capacity (CEC) of more than 40 meq / 100 g in acid-activated form have also proven particularly useful proved.
  • the BET specific surface area is particularly preferably in the range from 200 to 280 m 2 / g, in particular between 200 and 260 m 2 / g.
  • the pore volume is preferably in the range of 0, 7 to 1, 0 ml / 100 g, in particular in the range of 0, 80 to 1, 0 ml / 100 g.
  • Acid activation of such crude clays may be performed as specified further herein. Such clays are described for example in DE 103 56 894.8 of the same Applicant, which is hereby expressly incorporated by reference into the present specification.
  • the two-layered and the three-layered layered silicates after the modification with at least one cationic polyelectrolyte can be advantageously used for the sorption of nucleic acids and other biomolecules.
  • the smectitic layered silicates see above
  • a bentonite more preferably a sodium, calcium or sodium / calcium bentonite. It can both untreated phyllosilicates and phyllosilicates activated with acid or alkali (eg soda) can be used.
  • the (acid) activated phyllosilicates are particularly preferred since, after cationization (occupancy with the polyelectrolyte), the best results were obtained in the sorption of biomolecules.
  • the bentonites as such ie without cationization with polyelectrolyte, already have surprisingly good sorption properties for biomolecules.
  • One aspect of the present invention therefore relates to a process for the sorption of biomolecules as described herein using at least one bentonite as adsorbent or sorbent. More preferably, the bentonite is an alkaline (e.g., soda) or bentonite activated acid.
  • the above unactivated or activated bentonites are coated with at least one polyelectrolyte as defined herein, as these materials are particularly well suited as. Substrates are suitable and after the occupation with the polyelectrolyte particularly good sorption properties for biomolecules can be obtained.
  • acid or alkali e.g., soda
  • activated phyllosilicates selected from the above group of natural and synthetic phyllosilicates or the above clay weathering products, in particular from the bentonites, which are reacted with at least one cationic polyelectrolyte such as - -
  • the present invention also generally relates to the use of ⁇ ron acid-activated or alkali-activated layered silicates coated with at least one cationic polyelectrolyte for the sorption of biomolecules and a composition containing such acidified or alkali-activated cationized layered silicates and at least one Biomolecule.
  • the acid activation can be carried out by any method familiar to the person skilled in the art.
  • the temperature and the duration of the acid treatment, and the porosimetry of the acid-activated phyllosilicates can be selectively influenced.
  • the conditions in the acid activation of the layered silicates ie in particular the amount or concentration of the acid used, the temperature and the duration of the acid treatment, and the porosimetry of the acid-activated phyllosilicates can be selectively influenced.
  • the conditions in the acid activation of the layered silicates ie in particular the amount or concentration of the acid used
  • the temperature and the duration of the acid treatment, and the porosimetry of the acid-activated phyllosilicates can be selectively influenced.
  • a greater porosity of the layered silicates are effected, especially in the region of smaller pores having a diameter of less than 50 nm, in particular less than 10 nm, determined according to CC14 method according to method section.
  • the sorption capacity of the acid-activated phyllosilicate or its rate of ab- and desorption can be optimized by acid activation on a case-by-case basis by routine examination of a series of different acid-activated phyllosilicates.
  • the pores / cavities in the sorption agents according to the invention can be modified in the manner provided for in EP 0 104 210 or US Pat. No. 4,029,583 (see above).
  • phyllosilicates are brought into contact with at least one acid.
  • any organic or inorganic acids or mixtures thereof can be used.
  • acid can be sprayed using a so-called SMBE process (Surface Modified Bleaching Earth).
  • SMBE process Surface Modified Bleaching Earth
  • the substrates are preferably not organophilic clay materials or phyllosilicates coated with organic cations (eg onium ions).
  • the substrate used in particular in the case of a bentonite, has an ion exchange capacity (cation exchange capacity, CEC) of at least 50 meq / 100 g, preferably of at least 75 meq / 100 g.
  • CEC ion exchange capacity
  • the adsorbent used has an average po- - -
  • ren ren nm and 25 nm, in particular between about 4 and about 10 nm.
  • adsorbents can be advantageously coated with cationic polyelectrolyte, and allow a particularly good. Sorption of biomolecules such as nucleic acid molecules.
  • the pore volume, determined by the CC14 method according to the method part of pores to 80 nm diameter between about 0, 15 and 0, 80 ml / g, in particular between about 0, 2 and 0, 7 ml / g
  • the corresponding values for pores up to 25 nm in diameter are in the range between about 0, 15 and 0, 45 ml / g, in particular 0, 18 to 0, 40 ml / g.
  • the corresponding values for pores up to 14 nm are in the range between about 0, 10 and 0, 40 ml / g, in particular about 0, 12 to 0, 37 ml / g.
  • the pore volumes for pores between 14 and 25 nm in diameter may for example be between 0, 02 and 0, 3 ml / g.
  • the pore volume of pores of 25 to 80 nm may, for example, be in the same range.
  • used sorbent can be used in the form of a powder, granules or an arbitrarily shaped molding.
  • powders the use in the form of suspensions of the sorbent in the at least one nucleic acid molecule containing media offers.
  • coarser milling can also be used to adjust particles which exhibit the usual particle size distribution in chromatography, so that the materials can also be packed into gravity columns or chromatography columns.
  • the use of the sorbents may be in any form, including supported or immobilized forms. For example, it is also used in the separation of different nucleic acid components - -
  • the particle size of the adsorbent or sorbent used according to the invention will depend on the particular application. All particle sizes or agglomerate sizes are possible here.
  • the sorbent can be used in powder form, in particular with a D 50 value of from 1 to 1000 ⁇ m, in particular from 5 to 500 ⁇ m.
  • Typical useful granules are in the range (D 50 ) between 100 ⁇ m to 5,000 ⁇ m, in particular 200 to 2,000 ⁇ m particle size.
  • it is advantageous to use moldings from or with the sorption agents for example in chromatography columns, including gravity or centrifugation columns, solid-phase chromatographies, filter cartridges, membranes, etc.
  • the adsorbent or sorbent used according to the invention can be present in immobilized form.
  • the sorbent may in a FII terpatrone ', an HPLC cartridge or a comparable dosage form to be embedded.
  • An embedding in gels, such. B. Agarose gels or other gel-like or matrix-like structures is preferably possible.
  • Such applications are often sold as part of so-called kits for the purification of nucleic acid molecules, such as. B. the products of the company Quiagen, such as Quiagen genomic tip or the like.
  • the medium containing the nucleic acid molecules of interest is passed through a sorbent-containing column or filter cartridge or the like. Then it can be washed with suitable buffers to remove adhering impurities. It follows - -
  • the adsorbent or sorbent has a BET surface area (determined to DIN 66131) of at least 50 to 800 m 2 / g, in particular at least 100 to 600 m 2 / g, particularly preferably at least 130 to 500 m 2 / g, up. Due to the high surface area, both the advantageous workability with the cationic polyelectrolyte and the interaction with. facilitates the nucleic acid, the desorption possibility is surprisingly preserved.
  • the nucleic acids are DNA or RNA molecules in double-stranded or single-stranded form with one or more nucleotide units.
  • the method according to the invention is particularly advantageous in the case of media containing oligonucleotides or nucleic acids having at least 10 bases (pairs), preferably at least 100 bases (pairs), in particular at least 1000 bases (pairs).
  • the method according to the invention can also be used for nucleic acids between 1 and 10 bases (pairs) or for quite large nucleic acid molecules, such as plasmids or vectors with, for example, 1 to 50 kB or longer genomic or c-DNA fragments. Equally included are restriction digested DNA and R-NA fragments, synthetic or natural oligo- and polymers of nucleic acids, cosmids, etc.
  • z .B the chromatographic separation of biological macromolecules such as long-chain oligonucleotides, high molecular weight nucleic acids, tRNA, 5S rRNA, other rRNA species single-stranded DNA, double-stranded DNA (eg plasmids or fragments of genomic DNA), etc.
  • biological macromolecules such as long-chain oligonucleotides, high molecular weight nucleic acids, tRNA, 5S rRNA, other rRNA species single-stranded DNA, double-stranded DNA (eg plasmids or fragments of genomic DNA), etc.
  • adsorbents used can be used in a wide temperature range, show high loadability, high pressure resistance and a long service life.
  • nucleic acids such as. B. high-purity plasmid DNA
  • the protocols known in the art for the high-purity purification of nucleic acids are often costly and / or time-consuming, unsuitable for use on a large scale or for therapeutic purposes not safe enough, since toxic solvents or enzymes of animal origin, such as. RNAse can be used.
  • the adsorbent or sorbent according to the invention can be used in j e Love media. Preference is given to polar media in which the biomolecules or nucleic acid of interest are generally contained.
  • aqueous or alcoholic media all water or alcohol-containing media, including aqueous-alcoholic media understood.
  • all media are also included in which water is completely miscible or completely mixed with other solvents.
  • Cited are in particular alcohols, such as methanol, ethanol and C 3 - to C 10 alcohols having one or more OH groups or acids.
  • Also conceivable are 'completely water-miscible solvents and their mixtures with water and alcohol.
  • these are in practice aqueous, aqueous-alcoholic see or alcoholic media in connection with a solution, suspension, dispersion, colloidal solution or emulsion.
  • Typical examples are aqueous or alcoholic buffer systems as used in science and industry, industrial or non-industrial effluents, process effluents, fermentation residues, media from medical or biological research, liquid or fluid contaminated sites, and the like.
  • the adsorbent or sorbent according to the invention may contain other components, as long as it does not unacceptably affect the adsorption of the nucleic acids and, if provided, their desorption.
  • additional components may include, but are not limited to, organic or inorganic binders (see below), other sorbents for biomolecules or other inorganic or organic substances of interest from the medium, or also excipients such as glass, plastic or ceramic materials or the like.
  • the adsorbent or sorbent particles can be bonded to larger agglomerates, granules or shaped bodies via a suitable binder or applied to a support.
  • the shape and size of such parent structures containing the primary sorbent or layered silicate particles will depend on the particular application desired. It 'can thus all- known to the expert and are used in individual cases suitable shapes and sizes. For example, rate with a diameter of more than 10 .mu.m, in particular, be more preferably microns' as 50 in many cases agglomerates.
  • rate with a diameter of more than 10 .mu.m in particular, be more preferably microns' as 50 in many cases agglomerates.
  • In a 'bed of chromatography columns and the like can be a Kugelf ⁇ rm - -
  • a possible carrier is, for example, calcium carbonate, plastics or ceramic materials.
  • any binder known to the person skilled in the art as long as the attachment or incorporation of the biomolecules into or onto the adsorbent or sorbent is not impaired too much or the stability of the particle agglomerates or shaped bodies required for the particular application is ensured ,
  • binders agar-agar, alginates, chitosans, pectins, gelatins, lupine protein isolates or gluten.
  • the invention relates to a method comprising the following steps:
  • d) optionally, separation or ⁇ desorption of at least one biomolecule from the adsorbent or sorbent.
  • the inventive method for accumulation or incorporation of biomolecules on or in the adsorbent or sorbent can be used both for enrichment (ie increasing the concentration of the desired biomolecule) as well as depletion (ie reducing the concentration of the desired biomolecule) or separation of several different biomolecules.
  • the sorbent containing the biomolecules can be disposed of in a further step.
  • the disposal can take place, for example, by thermal treatment to remove the layered silicate containing the biomolecules, wherein after the thermal disintegration of the biomolecules, the sorbent can be disposed of.
  • biomolecules such as nucleic acids
  • the depletion or removal of biomolecules from culture media can also be carried out.
  • bioreactors owing to the high concentration of nucleic acid molecules present in the medium, in particular high molecular weight nucleic acids, an undesirable increase in viscosity may occur.
  • an efficient and biocompatible removal of the interfering nucleic acid molecules from the culture medium can take place via the method according to the invention.
  • the viscosity can also be adjusted to a desired level.
  • the nucleic acid molecule can be desorbed or recovered from the sorptive agent in a further step, as a result of which the sorbent can also be used again, if appropriate after renewed acid activation of the layered silicate.
  • compositions comprising an adsorbent or sorbent as defined herein and at least one biomolecule as defined herein in a fluid or liquid medium, preferably an aqueous or alcoholic medium containing at least one biomolecule.
  • a further aspect of the present invention relates to the use of the sorption agents according to the invention as inorganic vectors for introducing biomolecules into cells or as a pharmaceutical composition, in particular as a reservoir for the storage and controlled release of biomolecules, preferably of nucleic acids.
  • the sorbents according to the invention are also suitable for an efficient introduction of these biomolecules into prokaryotic or eukaryotic cells.
  • biomolecules, in particular nucleic acids can be "packaged” in a particularly advantageous manner for introduction into cells by the process according to the invention.
  • the principle mechanism of such an introduction using the example of DNA-LDH nanohybrids is described, for example, in US Pat Reference Choy et al. , Angew.
  • an adsorbent or sorbent for biomolecules obtainable by a process as described hereinbelow.
  • Such an adsorbent or sorbent is known to be u. a. through a better sorption capacity for biomolecules like DNA than conventional adsorbents.
  • the adsorbents were mixed with 1% by weight in water for 10 min. stirred with a magnetic stirrer. 10 ml of this stock solution are pipetted into the measuring cell, sheared for 5 minutes in the measuring cell and then titrated with PES-Na O 7 OlN or Polydadmac 0, 0IN. The results are given in meq / .g adsorbent.
  • adsorbents to be investigated in each case an aqueous suspension with dist. Water produced.
  • the suspension to be measured was adjusted to pH 7 in each case.
  • the zeta potential of the particles was determined by means of the Zetaphoremeter II from Particle Metrix according to the manufacturer's instructions according to the zip of the microelectrophoresis.
  • the migration speed of the particles was measured in a known electric field.
  • the particle movements that take place in a measuring cell are monitored by means of a microscope.
  • the direction of migration gives information about the type of charge (positive or negative) and the particle velocity is directly proportional to the electrical interface charge of the particles or to the zeta potential.
  • the particle movements in the measuring cell are recorded by means of image analysis and, after the measurement has been completed, the trajectories traveled are calculated and the resulting. Particle velocity determined.
  • the zeta potential (stated in mV) was calculated from this according to the manufacturer's instructions.
  • Nessler's reagent (Merck, Art. 9028); Boric acid solution, 2%; Caustic soda, 32%; 0, 1 N hydrochloric acid; NaCl solution, 0.1%; KCl solution, 0, 1% -ig
  • the washed NH 4 + bentonite is removed from the filter, 2H dried at 110 0 C, ground, sieved (63 micron sieve), and again at 110 0 C for 2 hours dried. Thereafter, the NH 4 + content of the bentonite is determined according to Kjeldahl.
  • the CEC of the clay is the Kjeldahl NH 4 + content of the NH 4 + bentonite (CEC of some clay minerals). The data are given in mval / 100 g clay (meg / 100 g).
  • the selected stock (eg 45% pulp and 55% peroxide bleached wood pulp) can either be obtained directly from the paper mill or stored in the refrigerator before use.
  • the stock was then shaken well at 20g dry to 2% with warm deionized water in a 2000ml beaker. While stirring at 400 rpm, the paper stock batch heated using a hot plate at 40 0 C. If the temperature is reached, the amount of adsorption to be tested sorbent with the aid of a Pasteur pipette to the stock approach - o -
  • the adsorption time in the material approach 30 is fixed min at 40 0 C and the mixture is stirred at 400 rpm. Thereafter, the paper stock batch with the ad is sorbent diluted to 1% solids using deionized water (4O 0 C).
  • a calibrated 100 ml graduated cylinder is distilled with 100 ml. Filled with water. 2, 0 g of the substance to be measured are added slowly in portions of 0, 1 to 0, 2 g to the water surface. After lowering the material, the next quantum is abandoned. After the addition is complete, wait for 1 hour and then read the volume of the swollen substance in ml / 2g. - -
  • the indicated (mean) pore diameters, volumes and areas were determined using a fully automatic nitrogen adsorption meter (ASAP 2000, Micro- metrics) according to the manufacturer's standard program (BET, BJH, trplot and DFT).
  • the percentage figures for the proportion of certain pore sizes refer to the • total pore volume of pores between 1.7 and 300 nm in diameter (BJH Adsorption Pore Distribution Report).
  • the desiccator connected to the graduated cold trap, pressure gauge and vacuum pump is then evacuated to boiling the contents. 10 ml of carbon tetrachloride are evaporated and collected in the cold trap.
  • the desiccator content is allowed to equilibrate for 16 to 20 hours at room temperature, then slowly let air into the desiccator. After removing the desiccator lid, the jar is immediately closed and weighed back on the analytical balance.
  • Pore volume in ml / g substance Pore volume in ml / g substance.
  • Fig. Figure 1 is a graph of the colloidal "pitch" particles in white water using cationized adsorbents of the invention for non-impurity binding in papermaking, and not according to the present invention; the concentration of the colloidal particles of impurities (in 10 ⁇ / ml of the batch) is plotted as a function of the concentration of the adsorbent used per ton of stock;
  • Fig. Figure 2 is a graph of the colloidal "pitch" particles in white water using another cationized adsorbent of the present invention and a comparative material for impurity binding in papermaking; the concentration of the colloidal particles of impurities (in 10 6 / ml of the batch) is plotted as a function of the concentration of the adsorbent used per ton of stock;
  • Fig. 3 is a graph showing the DNA binding capacities of cationized adsorbents of the present invention and a comparison material as a function of the DNA concentration in the test solution;
  • the dry particulate smectic phyllosilicate and the polyelectrolyte polymer powder are mixed dry and ground with a Rotschotormühle Fa. Retsch (sieves: 0, 12mm or 0, 08mm).
  • Example 1 of US Pat. No. 4,954,955 was worked up, with the proviso that, instead of kaolin, a calcium bentonite (see below) at a solids content of 15 wt. % was mixed with the polyelectrolyte in an aqueous suspension.
  • the amount of polyelectrolyte was such that the same weight fraction resulted in the cationized product produced as in the products produced according to the invention.
  • Example 1 Coating of bentonite with the cationic polyelectrolyte Polydadmac (production method according to the invention)
  • a powdered calcium bentonite (bentonite 1) according to Table 1 was ground together with the Polydadmac powder (Certrex, CIBA) in a Rotary Rotor Mill from Retsch and finally to particle sizes ⁇ 0.12 mm or ⁇ 0.08 mm sieved.
  • the amount of Polydadmac powder, based on the weight of the layered silicate, is given in - -
  • polyelectrolyte wt .-% Polydadmac
  • pure bleaching earth was ground accordingly.
  • Polyelectrolyte contents of 2, 5 and 5% based on the end product for the occupied (cationized) samples were set.
  • Example 2 Characterization of the powder samples prepared in Example 1
  • Example 1 The powders prepared in Example 1 were characterized in terms of their BET surface area or particle size distribution. Finally, the surface charge density was determined by titration with PES sodium (0, 01 normal) (Mütek-PCD-0, 3 device, see Methods). Furthermore, the powders were characterized in terms of their zeta potential. The characteristic data of the samples are shown in the following Tables 2 and 3: - -
  • the production process according to the invention is outstandingly suitable for producing smectic layer silicates with negative surface charge or negative zeta potential adsorbents which have a high positive surface charge density on the surface and also have a high positive zeta potential. It is also possible to control the surface charge density or the zeta potential in a targeted manner by the amount of polyelectrolyte added. This allows a production ⁇ TO ⁇ .
  • Example 1 As a comparison, the same calcium bentonite was used as indicated in Example 1, and according to US Pat. No. 4,964,955 (there Example 1) was coated with polydadmac (see comparative method b) before Example 1 above).
  • the resulting adsorbents were characterized in terms of surface charge and zeta potential.
  • the respective values for the inventive adsorbents and the comparative examples in the case of Ca are "• bentonite compared (Table 4).
  • the samples" modification 1 "and” modification 2 "correspond to those of Table 2 above.
  • the surface charge densities were each measured immediately after sample preparation and after the indicated storage time.
  • the adsorbents according to the invention are storage-stable. They can be produced inexpensively and freshly mixed in the form of slurries if necessary.
  • the well-shaken wood pulp (from the refrigerator) is diluted 20 atro to 2% with deionized water (45 0 C).
  • the stock While stirring at 400 rpm, the stock is heated to 40 ° C using a hot plate. When the temperature is reached, the amount of the respective adsorbent to be tested is added to the pulp batch by means of the Pasteur pipette. The reaction time in the batch is 30 minutes at 40 ° Celsius.
  • the stock batch is diluted with the adsorbent to 1% solids content using deionized water (40 0 C).
  • FIG. 1 clearly shows that the bentonite dry-coated with 5% polydadmac according to the invention has substantially better effects than the comparison material according to US Pat. No. 4,964,955. This demonstrates the positive properties of the process according to the invention. It should also be noted that the comparison materials were freshly prepared before the experiments. In practice -
  • the bentonite according to modification 2 was used as described in Example 4 in filtration experiments. The results are shown in FIG. As can be seen, the acid-activated bentonite is also suitable after the cationization according to the invention excellent for reducing impurities in white water.
  • Example 6 Use of the cationized bentonites according to the invention for attachment or depletion of biomolecules
  • the DNA concentration was determined photometrically. In this case, a wavelength of 260 nm was set for the measurement. To calibrate the method with the DNA salt used, a measurement was carried out with a concentration series. The obtained calibration line was used for the photometric determination of the DNA concentration in the adsorption experiments. - -
  • a herring sperm DNA solution with a concentration of 1 mg / ml, 2 mg / ml, 5, 63 mg / ml and 9, 9 mg / 1 was prepared and adjusted to pH 8 using 10 mM Tris / HCl and ImM EDTA , Subsequently, 0.1 g. each of the adsorbents is mixed with 5 ml of the DNA solution and shaken for 1 hour at room temperature. It was then 15 min. centrifuged at 2500 rpm and the supernatant was sterile filtered. Finally, the DNA concentration in the supernatant was measured and used to calculate the binding capacity for DNA. The results are summarized in the following Table 8 and in FIG.
  • BK binding capacity -> converted to mg of DNA based on 1 g of adsorbent
  • herring sperm DNA binds very well to both adsorbents according to the invention, but the binding capacity decreases with increasing surface coverage with positive _
  • Polyelectrolyte (Polydadmac) too.
  • the unoccupied adsorbent shows a lower binding capacity.
  • the weakly basic anion exchanger is functionalized on its surface with diethylaminoethanol.
  • the matrix consists of large-pored silicate particles with a particle size of 100 ⁇ m. and a hydrophilic surface.
  • the anion exchanger is optimized according to the manufacturer specifically for the purification of nucleic acids and allows the separation of RNA, proteins, sugars and other impurities.
  • the strongly basic anion exchanger consists of a polymer matrix with quaternary (trimethyl) ammonium groups on the surface and chloride as the counterion. The average. Particle diameter is 50 ⁇ m, the nominal pore size

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kationisierten Schichtsilicats, umfassend die folgenden Schritte: (a) Bereitstellen eines trockenen teilchenförmigen Schichtsilicats, (b) Inkontaktbringen des trockenen teilchenförmigen Schichtsilicats mit mindestens einem kationischen Polyelektrolyt , wobei das Inkontaktbringen gemäss Schritt b) durch eine trockene Vermahlung erfolgt und wobei keine Suspension des Schichtsilicats entsteht, sondern direkt ein trockenes kationisiertes Schichtsilicat erhalten wird. Weiterhin beschrieben wird ein so erhältliches vorteilhaftes kationisiertes Schichtsilicat und dessen bevorzugte Verwendung.

Description

VERFAHREN ZUR HERS TELLUNG VON
KAT I ON I S I E RTEN AD S ORB ENT I EN , D ANAC H
E RHÄL TL I C HE S O RP T I ON SM I T T E L S OWI E D E REN
B EVOR Z UG T E VE RWEND UN G
BE S C HRE I B UNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kationisierten Schichtsilicats in einem "trockenen" Verfahren. Weiterhin beschrieben wird ein so erhältliches vorteilhaftes kationisiertes Schichtsilicat (Adsorbens mit einer positiven Oberflächenladung) und dessen bevorzugte Verwendung .
Für eine Vielzahl von Anwendungen sind Adsorbentien mit einer positiven Oberflächenladung von Interesse . Dies betrifft beispielsweise eine Entfernung von Störstoffen aus Papierkreisläufen . Für viele kolloidale Störstoffe ( z . B . Baumharzkolloide) werden im allgemeinen negative Oberflächenladungen diskutiert . Eine weitere Anwendung von solchen Adsorbentien besteht in ihrem Einsatz in Trennprozessen in der Biotechnologie zur Aufreinigung von Proteinen und Nukleinsäuren.
Im dem Stand der Technik sind bereits mehrere positiv geladene Adsorbentien bekannt, z . B . funktionalisierte Ionenaustauscherharze, mit aminofunktionalisierten Silanen oberflächenmodifizierte Kieselgele, funktionalisierte Zellulosen etc ..
Die US 4, 964, 955 beschreibt ein Verfahren zur Pitch-Kontrolle bei der Papierherstellung . Dabei wird zunächst ein wasserlösliches Polymer in Wasser gelöst und mit einem teilchenförmigen im wesentlichen wasserunlöslichen Substrat kontaktiert, wodurch eine Aufschlämmung der zusammengesetzten Komponente zur Störstoffbeseitigung erhalten wird. Dieses Verfahren entspricht dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Kationisierung von Kaolin-Tonen.
Die Oberflächenladungsdichte solcher Systeme des Standes der Technik ist jedoch häufig begrenzt . Viele der Adsorbentien des Standes der Technik weisen beispielsweise den Nachteil auf, dass ein großer Teil der Ladungen innerhalb der Adsorbenspartikel liegt und diese für große Moleküle bzw. große Kolloide nicht zugänglich sind, wie sie z . B. im Rahmen der Störstoffbeseitigung bei der Papierherstellung wesentlich sind.
Deshalb besteht ein großer Bedarf an -verbesserten kationisierten Adsorbentien, insbesondere mit positiver Oberflächenladung .
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren bereit 'zu stellen, mit dem möglichst einfach kationisier- te Adsorbentien mit positiver Oberflächenladung bereit gestellt werden können, die eine hohe Oberflächenladungsdichte aufweisen, bei denen die positiven Gruppen an der Oberfläche leicht zugäng- lieh sind, und die die Nachteile des Standes der Technik vermeiden.
Nach einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung somit ein Verfahren zur Herstellung eines kationisierten Sorptionsmittels, wobei ein trockenes teilchenförmiges Substrat mit einem PoIy- elektrolyten trocken vermählen wird. Spezifischer betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben .
So betrifft die Erfindung nach einem Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines kationisierten Schichtsilicats, umfassend die folgenden Schritte : (a) Bereitstellen eines trockenen teilchen- förmigen Schichtsilicats, (b) Inkontaktbringen des trockenen teilchenförmigen Schichtsilicats mit mindestens einem kationischen Polyelektrolyt, wobei das Inkontaktbringen gemäß Schritt b) durch eine trockene Vermahlung erfolgt und wobei keine Suspension oder Aufschlämmung des Schichtsilicats entsteht, sondern direkt ein trockenes kationisiertes Schichtsilicat erhalten wird.
Erfindungsgemäß erfolgt das Inkontaktbringen des trockenen teilchenförmigen Schichtsilicats mit dem mindestens einen kationischen Polyelektrolyt durch Vermahlung. So wurde überraschend gefunden, dass durch die Vermahlung beim Inkan- taktbringen eine besonders vorteilhafte Kationisierung des teilchenförmigen Schichtsilicats erfolgen kann . Es wird angenommen, ohne dass die Erfindung auf die Richtigkeit dieser Annahme beschränkt wäre, dass durch die Vermahlung beim Inkontaktbringen des trockenen teilchenförmigen Schichtsilicats mit dem mindestens einen kationischen Polyelektrolyt neue (frische) Oberflächen des Schichtsilicats erzeugt werden, die unmittelbar durch den Polyelektrolyt belegt werden können . Dadurch entsteht sowohl eine sehr stabile als auch auf die Oberfläche konzentrierte Beladung, des Schichtsilicats mit dem Ployelektrolyt . Durch die trockene Vermahlung wird zudem die Einlagerung des Polyelektrolyten minimiert . Solche eingelagerten Polyelektrolyte stehen bei dem Einsatz der kationi- sierten Schichtsilicate nur bedingt zur Verfügung . Es "wird angenommen, ohne dass die Erfindung auf die Richtigkeit dieser Annahme beschränkt wäre, dass durch die Vermeidung einer Aufschlämmung oder Suspension beim Vermählen bzw . Kontaktieren der beiden Komponenten eine besonders vorteilhafte Oberflächenbelegung des teilchenförmigen Schichtsilicats mit dem mindestens einen kationischen Polyelektrolyt erfolgen kann . Demgegenüber können, wenn das Inkantaktbringen nicht trocken erfolgt, sondern z . B . in einer Aufschlämmung oder Suspension, die Polyelektrolyte in die Teilchen des Schichtsilicats so eingelagert werden, dass sie nicht mehr auf der Oberfläche zur Verfügung stehen. Die erfindungsgemäßen Produkte zeichnen sich dadurch aus , dass die positiven Ladungen außen am Adsor- benspartikel sitzen und für Adsorbate gut zugänglich sind. Dies wird insbesondere zum Vorteil für Trennprozesse, wenn es um die Abtrennung von großen Kolloiden wie z . B . Störstoffen in der Papierherstellung geht, oder um die Abtrennung von großen Molekülen wie Biomolekülen, z . B . DNA.
Zur Vermahlung kommen alle dem Fachmann geläufigen Mahlvorrichtungen in Frage, die dem Fachmann zur Mahlung bzw. Vermahlung ( siehe z . B . Römpp Lexikon Chemie, 10. Auflage, S . 2496) bekannt sind . Nicht beschränkende Beispiele geeigneter Vorrichtungen sind Rotorschlagmühlen, Hammermühlen, Kugelmühlen oder Ringspaltmühlen . Ein besonderer erfindungsgemäßer Vorteil der Vermahlung liegt auch darin, dass neben der guten Kationisierung des Schichtsilicats gleichzeitig im selben Schritt eine Einstellung bzw . Verringerung der Teilchengröße auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Teilchengrößen erfolgen kann . Bevorzugt wird unter Vermahlung eine Behandlung verstanden, bei der sich die mittlere Teilchengröße (D50) des Schichtsilicats um mindestens 5% , vorzugsweise mindestens 10%, insbesondere mindestens 20% , weiter bevorzugt mindestens 40% verringert . Nach einer bevorzugten Ausführungsform verringert sich der D90-Wert der Schichtsilicattteilchen um min- destens 5% , vorzugsweise mindestens 10% , insbesondere mindestens 20%, weiter bevorzugt mindestens 40% .
Wie vorstehend ausgeführt wurde auch gefunden, dass sich besonders vorteilhafte Adsorbentien mit hoher positiver Oberflächenladungsdichte herstellen lassen, wenn das Inkontaktbringen unter Vermählen des smektitischen Schichtsilicats mit dem mindestens einen kationischen Polyelektrolyten trocken erfolgt erfolgt, im Gegensatz zu einem Vermischen bzw. Inkontaktbringen in einer Slurry oder Suspension.
Erfindungsgemäß werden daher bevorzugt beide Komponenten, d. h. das teilchenförmige Substrat, insbesondere das smektitische Schichtsilicat und der mindestens eine kationische Polyelektro- lyt trocken, d. h. als Feststoffe, eingesetzt und vermischt/vermählen. Durch die Vermeidung von Lösungsmitteln oder Suspensionsmitteln für das Schichtsilicat und/oder den Polyelektrolyten wird die hohe Oberflächenbelegung des Schichtsilicats, wie vorstehend ausgeführt, begünstigt . . Weiterhin wird angenommen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch sicher gestellt ist, dass die Polyelektrolyte sich besonders eng und über zumindest einen großen Teil der Moleküllänge des Polyelekt- rolyts an die Oberfläche eines Teilchens des Schichtsilicats anlagern und somit eine höhere Oberflächenladungsdichte erzeugen können als bei einer Vermischung in einer Suspension, bei der die Gefahr einer "Einlagerung" des Polyelektrolyten besteht .
Weiterhin ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders vorteilhaft, dass ohne die bei Aufschlämmungen ab bestimmten Konzentrationen des Schichtsilicats häufig erheblichen Probleme mit einer hohen Viskosität oder Gelbildung der (smektitischen) Schichtsilicate einfach kationisierte Materialien in praktisch beliebigem Mischverhältnissen hergestellt werden können .
Schließlich wurde auch gefunden, dass die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten kationisierten Schichtsilicate (in trockener Form) wesentlich lagerungsstabiler sind, als die nach dem Stand der Technik erzeugten Aufschlämmungen bzw. Suspensionen. So nimmt die Oberflächungsladungsdichte und das Zeta- Potential auch bei längerer Aufbewahrung über Tage, Wochen oder sogar Monaten kaum ab .
Erfindungsgemäß wird mindestens ein trockenes teilchenförmiges Schichtsilicat eingesetzt . "Trocken" soll hier wiederum den Gegensatz zu einem Einsatz bzw. einer Mischung in Form einer Auf- schlämmung oder Suspension klarstellen. Vorzugsweise ist das eingesetzte teilchenförmige smektitische Schichtsilicat rieselfähig.
Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das Schichtsilicat einen Wassergehalt (Feuchtegehalt) von 25 Gew-% oder weniger, insbesondere 20 Gew. -% oder weniger, weiter bevorzugt zwischen 3 und 20 Gew . -%, insbesondere zwischen 6 und 15 Gew . -% , bestimmt durch Trocknung bis zur Gewichtskonstanz bei 130 0C, auf . Dadurch wird die oben erläuterte Oberflächenbelegung mit hoher Ladungsdichte begünstigt .
Die Teilchengröße des eingesetzten Schichtsilicats kann je nach der vorgesehenen Anwendung in weiten Grenzen schwanken. Es kann sich sowohl um ein Pulver als auch um ein Granulat handeln. Auch größere Formkörper sind denkbar .
Bevorzugt ist das eingesetzte teilchenförmigen Schichtsilicat jedoch verhältnismäßig feinteilig. Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist es eine mittlere Teilchengrö- ße (D50, bezogen auf das Probenvolumen) zwischen 0, 1 und 30 um, insbesondere zwischen 0, 1 und 25 um, vorzugsweise zwischen 0, 5 und 15 um, weiter bevorzugt zwischen 0, 5 bis 10 μm auf. Es hat sich gezeigt, dass sich bei solchen feinteiligen Schichtsilica- ten die Vorteile der erfindungsgemäßen "trockenen" Kationisierung besonders deutlich zeigen. Bei vielen Anwendungen in Lösung können z . B . noch feinteiligere Materialien, insbesondere mit einer mittlere Teilchengröße (D50, bezogen auf das Probenvolumen) zwischen 0, 1 und 30μm, insbesondere zwischen 0, 1 und 25 μm, vorzugsweise zwischen 0, 5 und 15 μm, weiter bevorzugt zwischen 0, 5 bis 10 μm verwendet werden. Bei anderen Anwendungen, z . B . der Verwendung der erfindungsgemäßen Adsorbentien zur Säulenpackung wird es oft vorteilhaft sein, dass die Teilchengröße (D90) nach der Vermahlung mindestens etwa 20 μm, vorzugsweise mindestens 40 μm, insbesondere mindestens 60 μm beträgt . Nach einer Ausführungsform liegt der D90-Wert bei etwa 150 um oder weniger .
Erfindungsgemäß können beliebige Schichtsilicate, einschließlich natürlicher oder synthetischer Schichtsilicate und deren Mischungen eingesetzt werden . Diese sind dem Fachmann als solche bekannt . Bevorzugt werden Zwei- oder Dreischichtsili- cate, insbesondere smektitische Schichtsilicate eingesetzt, da sich ihre Struktur besonders gut für die Belegung mit Po- lyelektrolyt unter Vermahlung eignet . Bevorzugte smektitische Schichtsilicate umfassen beispielsweise solche enthaltend Montmorillonit, Hectorit, Nontronit oder Saponit . Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform handelt es sich bei dem smektitischen Schichtsilicat um einen Montmorillonit, insbesondere um einen Bentonit , besonders bevorzugt um einen Calciumbentonit . Es können j edoch auch smektitische Schichtsilicate eingesetzt werden, die alternativ oder zusätzlich zu Calcium ein oder mehrere andere Kationen in den Zwischenschichten aufweisen, wie z . B . Natrium, Magnesium, Kalium oder dergleichen . Es können sowohl unbehandelte Bentonite als auch mit Säure aktivierte Schichtsilicate verwendet werden . Dabei kann die Säureaktivierung nach einem beliebigen, dem Fachmann geläufigen Verfahren durchgeführt werden . Vorzugsweise handelt es sich nicht um organophile Tonmaterialien bzw . mit organischen Kationen ( z . B . Oniumionen) belegte Schichtsilicate . Die verwendeten Schichtsilicate sollen auch vorzugsweise vor dem erfindungsgemäßen Inkontaktbringen mit dem Polyelektroly- ten durch trockenes Vermählen nicht zuvor schon mit einem Po- lyelektrolyten in Kontakt gebracht worden sein .
Nach einem Aspekt der Erfindung wurde auch gefunden, dass sich mit den erfindungsgemäßen Verfahren auch analoge Oberflächen- funktionalisierung bei vielen anderen teilchenförmigen Substraten bzw. Adsorbentien erzielen lassen. Nach diesem Aspekt der Erfindung können beliebige Substrate eingesetzt werden, solange diese eine Oberfläche aufweisen, die mit mindestens einem PoIy- elektrolyten modifiziert bzw. belegt werden kann. Es sind sowohl anorganische als auch organische Substrate umfasst . Vorzugsweise ist das Substrat in dem Medium, das das mindestens eine zu sorbierende Molekül enthält, im wesentlichen unlöslich . Bevorzugt werden anorganische Substrate . Auch wurde gefunden, dass besonders vorteilhafte Ergebnisse erhalten werden, wenn das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe der natürlichen und synthetischen Schichtsilicate, der Kieselsäuren, insbesondere der gefällten Kieselsäuren, der Kieselgele, der Magnesiumsilicate, der Zeolithe, der Aluminiumoxide, insbesondere der porösen Aluminiumoxide, Titandioxid, Zirkonoxid, oder deren Gemischen. Diese Substrate sind einerseits in den bevorzugten Medien im wesentlichen unlöslich und weisen gute Sorptionseigenschaften auf . Nach einem erfindungsgemäßen Aspekt gelten somit die Ausführungen zu Schichtsilicaten als Substrate für die Belegung mit Polyelektrolyt auch entsprechend für andere Substrate . Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist daher das teil- chenförmige Schichtsilicat ganz oder teilweise durch ein anderes teilchenförmiges Substrat, insbesondere ausgewählt aus der vorstehenden Gruppe anorganischer Substrate, ersetzt . Dabei können die anorganischen Substrate sowohl- synthetischen als auch natürlichen Ursprungs sein . Als Substrate natürlichen Ursprungs eignen sich beispielsweise Bentonite in Natriumform, Calciumform oder Natrium-/Calciumbentonite . Geeignet sind auch Substrate, wie z . B . Attapulgit, Hektorit, Glimmer u . a . Bevorzugt sind hier jedoch Materialien mit besonders hohen spezifischen Oberflächen wie Schichtsilicate, Bleicherden, Kieselgele, gefüllte Kieselsäuren, poröse Aluminiumoxide etc .
Es hat sich herausgestellt, dass das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhafte Produkte liefert , insbesondere zur Störstoffbehandlung bei der Papierherstellung und bei der Sorption von Biomolekülen wie DNA, wenn die eingesetzten smektitischen Schichtsilicate eine verhältnismäßig hohe spezifische Oberfläche aufweisen . Ein nicht-beschränkender bevorzugter Bereich ist daher eine BET-Oberfläche von mindestens 50 m2/g, insbesondere mindestens 100 m2/g, besonders bevorzugt von mindestens 130 m2/g, oder eine BET-Oberfläche zwischen 10 und 300 m2/g, insbesondere zwischen 40 und 200 m2/g (bestimmt nach DIN 66131 ) .
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das eingesetzte smektitische Schichtsilicat ein Quellvermögen von etwa 5 bis 50 ml/2g, insbesondere von etwa 8 bis 40 ml/2g auf .
Erfindungsgemäß wird zur Kationisierung des smektitischen Schichtsilicats mindestens ein kationisches Polyelektrolyt verwendet . Polyelektrolyte als solche sind dem Fachmann geläufig, wobei beispielsweise auf Römpp Lexikon Chemie, 10. Auflage (1998 ) , Georg Thieme Verlag, S . 3438/3439 verwiesen werden kann. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Polyelektrolyt um ein kationisches Polymer, insbesondere ein wasserlösliches kationisches Polymer. Die Polyelektrolyte werden bevorzugt in fester Form eingesetzt . Bevorzugt sind hierbei Polyelektrolyte mit permanenter positiver Ladung . Geeignet sind aber auch schwach basische Polyelektrolyte, die in Folge ihres pH-Wertes in Lösungen oder mit Reaktionen von sauren Gruppen an der Oberfläche des smekti- tischen Schichtsilicats durch Protonierung positiviert werden. Geeignet für die Oberflächenmodifikation sind dabei, ohne Beschränkung, beispielsweise folgende Polyelektrolyte: PoIy- (diallyl-dimethylammoniumchlorid) , abgekürzt Polydadmac, kationische Polyacrylamide, Polyethylenimine, kationisierte Stärken, kationisierte Cellulosen .
Die Polymere können dabei sowohl linear oder in verzweigter Form eingesetzt werden.
Brauchbare kationische Polymere umfassen auch solche, die beispielsweise in der US 4 , 964 , 955 angeführt sind, z . B. Salze, wie quaternäre Ammoniumsalze und durch Säurezugabe erhaltene Salze von Aminoacrylaten und Salze, wie quaternäre Ammoniumsalze und durch Säurezugabe erhaltene Salze von Diallylaminen, die Substi- tuenten wie Carboxylat-, Cyano-, Ether-, Amino- (primär, sekundär oder tertiär) , Amid-, Hydrazid- und Hydroxylgruppen und dergleichen enthalten können, deren Zeta-Potential ausreichend positiv ist, um teilchenförmige smektitische Schichtsilicate mit Zeta-Potentialen von mindestens etwa +30 mV, vorzugsweise zwischen etwa +60 und etwa +80 mV (etwa +0, 06 bis etwa +0, 08 V) oder höher zu ergeben. Solche kationischen Polymere sind PoIy- (alkyltrimethylammoniumchloride) , PoIy (alkyltrimethylammonium- bromide) , PoIy (dialkyldiallylammoniumhalide) wie PoIy (diallyldi- methylammoniumchlorid) und PoIy (diallyldimethylammoniumbromid) , Poly (methacryloyloxyethyltrimethylammoniummethylsulfat) , Po- Iy (methacryloyloxyethyltrimethylammoniumchlorid) , PoIy (meth- acryloyloxyethyldimethylammoniumchlorid) , PoIy (methacryloyl- oxyethyldimethylarnmoniumacetat) , PoIy (methyldiallylammonium- acetat) , PoIy (diallylammoniumchlorid) , PoIy (N-methyldiallyl- artunoniumbromid) , PoIy (2, 2 ' -dimethyl-N-methyldiallylammonium- chlorid) , PoIy (N-ethyldiallylammoniurnbromid) , PoIy (N-isopropyl- diallylammonium-chlorid) , PoIy (N-n-butyldiallylairanoniumbromid) , PoIy (N-tert-butyldiallylammoniumchlorid) , PoIy (N-n-hexyldiallyl- airanoniumchlorid) , PoIy (N-octadecyldiallylammoniumchlorid) , PoIy- (N-acetamidodiallylammoniumchlorid) , PoIy (N-cyanomethyldiallyl- ammoniumchlorid) , PoIy (N-propionamidodiallylammoniumbroinid) , PoIy (N-acetylethylester substituiertes Diallylairtmoniumchlorid) , PoIy (N-ethylmethylester substituiertes Diallylairanoniumchlorid) , PoIy (N-ethylamindiallylammoniumchlorid) , PoIy (N-hydroxyethyl- diallylammoniumbromid) , PoIy (N-acetohydrazid substituiertes Di- allylammoniumchlorid) , PoIy (vinylbenzyltrimethylammoniumchlo- rid) , PoIy (vinylbenzyltrimethylammoniumbromid) , PoIy (2-vinyl- pyridiniumchlorid) , PoIy (2-vinylpyridiniumbromid) r PoIy (meth- acrylamidopropyldimethylaininoniumchlorid) , PoIy (3-methacryl- oyloxy-2-hydroxypropyldimethylammoniumchlorid) , und dergleichen.
Eine weitere Klasse kationischer Polymere, die bei der Ausführung der vorliegenden Verbindung brauchbar sind, umfasst natürlich vorkommende Polymere wie Casein, Chitosan und deren Derivate .
Ein besonders bevorzugtes kationisches Polymer ist PoIy (diallyl- dimethylammoniumchlorid) mit der sich wiederholenden Einheit :
worin n vorzugsweise etwa 600 bis etwa 3.500 ist, d. h . PoIy (di- allyldimethylainmoniumchlorid) -Polymere mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht zwischen etwa 100.000 und etwa 500.000. Es können auch Mischungen aus zwei oder mehr der vorstehenden PoIy- elektrolyte eingesetzt werden.
Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt keine Silanisierung des Schichtsilicats (mit Hilfe eines Silani- sierungsagens) .
Es hat sich weiterhin als besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Oberflächenbelegung des Schichtsilicats herausgestellt , wenn vorzugsweise das teilchenförmige Schichtsilicat und der kationische Polyelektrolyt in einem Gewichtsverhältnis zwischen 99, 5 : 0 , 5 und 80 : 20, insbesondere zwischen 98 : 2 und 90 : 10 in Kontakt gebracht werden .
Auch mehrschichtige Polyelektrolytbeschichtungen des smektiti- schen Schichtsilicats sind denkbar und von der vorliegenden Erfindung erfasst . Dabei werden insbesondere gegensätzlich geladene Polyelektrolyte abwechselnd "trocken" (wie hierin beschrieben) auf das Schichtsilicat aufgebracht .
Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt das Zeta-Potential der erfindungsgemäß hergestellten kationisierten Schichtsilicate bei mehr als 35 mV, insbesondere bei mehr als 50 mV.
Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt die Oberflächenladungsdichte der erfindungsgemäß hergestellten kationisierten Schichtsilicate bei mehr als 10 μeq/g, insbesondere bei mehr als 20 μeq/g.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann in der durch das Inkontaktbringen erzeugten Mischung so viel Lösungsmittel enthalten sein, dass die Teilchen in der Mischung zwar feucht werden und gegebenenfalls Agglomerate bilden, jedoch keine Aufschlämmung oder Suspension erzeugt wird. In vielen Fällen kann es vorteilhaft sein, nach dem Inkontaktbringen zur Erzeugung eines trockenen kationisierten Schichtsilicats gemäß Schritt (b) oben noch eine herkömmliche Trocknung auf den j e nach Anwendung gewünschten Trocknungsgrad und ggf. eine Vermahlung auf den gewünschten Vermahlungsgrad durchzuführen. Auch die Herstellung von beliebigen Formkörpern, z . B . unter Verwendung von Bindemitteln, ist möglich .
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein kationisiertes smektitisches Schichtsilicat, erhältlich nach einem Verfahren wie hierin beschrieben . Wie vorstehend ausgeführt, wird durch das erfindungsgemäße "trockene" Verfahren unter Vermahlung eine besondere Art der Oberflächenbelegung des Schichtsilicats bewirkt, die sich in besonders vorteilhaften Produkteigenschaften wie einer höheren Oberflächenladungsdichte (bei gleichem Gewichtsanteil des Polyelekt- rolyten) und beispielsweise einer verbesserten Lagerstabilität als bei Produkten des Standes der Technik äußert . Auch zeigen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Produkte z . B . bei der Störstoffbeseitigung in der Papierherstellung oder bei der Sorption von Biomolekülen wie DNA bessere Ergebnisse . So betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Störstoffbindung in der Papierherstellung, umfassend die folgenden Schritte :
a) Bereitstellen eines kationisierten smektitischen Schichtsilicats, erhältlich nach einem Verfahren wie hierin beschrieben, in trockener Teilchenform,
b) Zugabe des kationisierten smektitischen Schichtsili- cats gemäß a) zu einer Papierpulpe bzw. Faserstoffmasse;
c) Bindung der Störstoffe an das kationisierte smektiti- sche Schichtsilicat in der Pulpe bzw. Faserstoffsuspen- sion,
bzw. die Verwendung eines kationisierten Schichtsilicats wie hierin beschrieben in einem solchen Verfahren.
Vorzugsweise werden dabei etwa zwischen 0, 2 und 20 kg des kationisierten Schichtsilicats pro Tonne Papierpulpe bzw. FaserstoffSuspension (Trockengewicht) , insbesondere zwischen 0, 5 und 12 kg/t Pulpe bzw. FaserstoffSuspension zugegeben.'
Besonders vorteilhafte Ergebnisse bei der Störstoffbeseitigung mit den erfindungsgemäß hergestellten kationisierten Schichtsilicatprodukten haben sich gezeigt, wenn die Papierpulpe bzw. FaserstoffSuspension Holzschliffanteile enthält .
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt der Holzschliffanteil in der Papierpulpe bzw. der Fasersuspension bei mindestens 10 Gew. -%, insbesondere 30 Gew . -%, bezogen auf die Gesamtpulpe bzw. FaserstoffSuspension .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines kationisierten Schichtsilicats, erhältlich nach einem Verfahren wie hierin beschrieben zur Störstoffbin- düng in der Papierherstellung, insbesondere in einem Verfahren wie vorstehend ausgeführt .
Die Störstoffentfernung bei der Papierherstellung gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die Problematik beruht darauf, dass das bei der Papierherstellung anfallende Wasser im Kreislauf gefahren wird, wobei sich Störstoffe nach und nach darin anreichern. Diese Störstoffe können so zu den unterschiedlichsten Produktionsstörungen führen, wie z . B . zur Bildung von Ablagerungen auf den Walzen der Papiermaschine, zur Verklebung der Siebe, etc. Diese Effekte führen zu Unterbrechungen bei der Papierproduktion. Um die Anzahl der Produktionsstops zu minimieren, ist es wünschenswert, die im Kreislaufwasser anfallenden Störstoffe zu binden, indem man Polymere oder Adsorbentien bereits im Stoffauflauf einsetzt . Die meisten relevanten Störstoffe sind dabei negativ geladen. Dabei handelt es sich beispielsweise um Huminsäuren, Baumharzkolloide, Ligninderivate, Ligninsulfonate, die aus den Fasern in den Papierkreislauf eingetragen werden. Hinzu kommen anionische Störstoffe, die in die Papiermaschine durch ein Recycling von Papierbruch eingetragen werden. Dieser Papierbruch wird typischerweise wieder dispergiert und in die Papiermaschine eingebracht . Dadurch werden die darin enthaltenen Inhaltsstoffe und Hilfsmittel komplett in den Kreislauf zurückgeführt . Eingetragen werden dadurch zusätzlich z . B . Carboxymethylcellulosen, Polyacrylate, Polyphosphonate und Natriumsilicate . Weitere anionische geladene Störstoffe sind die Latices, die im Papierstrich verwendet werden, welche typischerweise zwar hydrophob sind, j edoch auch anionische Ladungen tragen. Diese neigen stark zur ' Agglomeration, wobei die Agglomerate als klebrige, weiße Rückstände auf der Papiermaschine abgelagert werden (sog. White Pitch) .
Die erfindungsgemäßen Adsorbentien (kationisierten Schichtsili- cate) sind typischerweise dazu geeignet, diese Störstoffe zu binden, wie die Beispiele, die unten angeführt sind, zeigen. Typischerweise verringern dabei die erfindungsgemäßen Adsorben- tien den Bedarf an kationischen Ladungen im Papierstoffauflauf . Dies belegt die Bindung der negativ geladenen Störstoffe durch Ladungswechselbindungen. Der kationische Ladungsbedarf wird dabei typischerweise bestimmt durch eine Titration mit kurzketti- gen Polyelektrolyten. Die Entfernung der Störstoffe ist auch durch weitere experimentelle Verfahren nachweisbar, wie z . B . Trübungsmessungen, die insbesondere belegen, dass große Kolloide, wie z . B . Baumharz ( sog. Pitch) mit Hilfe der erfindungsgemäßen Adsorbentien entfernt werden.
Im Bereich Aufarbeitung und Trennung von Biomolekülen liegt ein weiterer großer Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Adsorbentien . Eine weitere erfindungsgemäße Verwendung betrifft daher den Einsatz eines kationisierten Schichtsilicats, erhältlich nach einem Verfahren wie vorstehend definiert zur Sorption von Biomolekülen wie Proteinen, Nukleinsäuren, Polysacchariden oder Lipiden, insbesondere von Nukleinsäuren wie DNA.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Sorption, insbesondere zur An- oder Abreicherung, Entfernung oder Gewinnung oder Auftrennung von mindestens einem Biomolekül aus einem flüssigen oder fluiden Medium mit Hilfe eines Sorptionsmittels, wobei das Sorptionsmittel mindestens ein Adsorbens (kationisiertes Schichtsilicat) umfasst, das gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurde . Dabei kann das erfindungsgemäße Sorptionsmittel beispielsweise zur Abtrennung bzw . Aufreinigung von DNA sowie die Abtrennung bzw. Aufreinigung von Proteinen eingesetzt werden, auch in getragerter Form. Dabei können die erfindungsgemäßen Adsorbentien anstelle herkömmlicher Adsorbentien in entsprechender Form (z . B . als Pulver, Granulat, Formkörper, geträgert, als Säulenpackung etc . ) und Dosierung, ggf . mit herkömmlichen Trägern, in dem Fachmann geläufigen Verfahren eingesetzt werden. Es wurde gefunden, dass die erfindungsgemäß verwendeten Ad- sorbentien bzw. Sorptionsmittel eine überraschend hohe Bindekapazität für Biomoleküle wie Nukleinsäuren aufweisen, die diej enige von kommerziellen Adsorptionssystemen des Standes der Technik noch übertrifft . Weiterhin zeigen sie eine besonders rasche Bindungskinetik . Vorteilhaft ist außerdem, dass sich die gebundenen Biomoleküle praktisch quantitativ wieder von dem Sorptionsmittel entfernen lässt .
Immer mehr Produkte werden über biotechnologische Verfahren hergestellt . Dabei fallen bis zu 80% der Kosten des Endproduktes für die Trennprozesse an . Insbesondere bei großtechnischen Verfahren besteht deshalb ein Bedarf nach kostengünstigen Adsorbentien, die geeignet sind, Biomoleküle gezielt zu binden bzw. abzutrennen . Nach Robert K. Scopes, Protein Purification, Prin- ciples and Practice, Springer Verlag 1993, Seite 135 stellen Ionentauscher die am häufigsten verwendeten Adsorbentien zur Trennung von Proteinen mit anderen Biomolekülen dar. In diesem Zusammenhang stellen die erfindungsgemäßen Adsorbentien interessante neue Alternativen zur Bindung von Proteinen, DNA und anderen Biomolekülen über eine Ladungswechselwirkung dar. Typischerweise wird man beim Einsatz der erfindungsgemäßen kationischen Adsorbentien für eine Trennung von Proteinen solche Proteine binden, bei denen man in der Adsorptionslösung pH-Werte eingestellt hat, die oberhalb der isoelektrischen Punkte der Proteine liegen.
Ein besonderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sorption, insbesondere zur An- oder Abreiche- rung, Entfernung, Gewinnung oder Auftrennung von mindestens einem Nukleinsäuremolekül, vorzugsweise aus einem flüssigen oder fluiden Medium, insbesondere einem polaren wie einem wässrigen oder alkoholischen Medium, mit Hilfe eines Sorpti- onsmittels , wobei das Sorptionsmittel mindestens ein kationi- siertes Adsorbens wie hierin näher definiert umfasst .
Die hier offenbarten Adsorbentien bzw . Sorptionsmittel sind somit sowohl geeignet Biomoleküle wie Nukleinsäuren oder Proteine aufzutrennen, als auch aus entsprechenden Lösungen/Medien an- oder abzureichern, um sie zu gewinnen oder zu entfernen: Die fast quantitative Widerfindungsrate bei Elution mit geeigneten, in der Regel hochsalzhaltigen Puffern zeigt, dass es auch möglich ist, die gebundenen Biomoleküle wieder zurückzugewinnen . Die Einsatzgebiete für solche Sorptionsmittel sind vielfältig . Ohne dass diese Erfindung auf die folgenden Beispiele beschränkt ist, sollen einige möglichen Anwendungen angeführt werden : Denkbar ist z . B . eine Abtrennung von Nukleinsäuren aus einem Vielstoffgemisch oder die Abreicherung von DNA aus Abwässern aus biotechnologischen Produktionsrückständen mit genetisch modifizierten Organismen . Allgemein kann das erfindungsgemäße Sorptionsmittel auch für alle molekularbiologischen, mikrobiologischen oder biotechnologischen Methoden im Zusammenhang mit Biomolekülen, insbesondere deren An- oder Abreicherung, Auftrennung, tran- sienter oder permanenter Immobilisierung oder sonstiger Verwertung eingesetzt werden. Beispielhafte Methoden und Verfahren finden sich in einschlägigen Lehrbüchern wie Sambrook et al . , "Molecular Cloning : A Laboratory Manual" , CoId Spring Harbour Press 2001 und sind dem Fachmann geläufig . Auch im Rahmen der chromatographischen Auftrennung von Nukleinsäuren oder Proteinen kann das vorliegende Sorptionsmittel eingesetzt werden . Unter Nukleinsäuren sind dabei in erster Linie DNA- und RNA-Spezies zu verstehen, einschließlich von genomischer DNA und cDNA sowie deren Fragmente , mRNA, tRNA, rRNA sowie weitere Nukleinsäurederivate natürlichen oder synthetischen Ursprungs mit beliebiger Länge . Hierin soll der Ausdruck "Sorption" sowohl eine Adsorption als auch einen Absorption umfassen. Genauso wird der Ausdruck "Ad- sorbens" gleichbedeutend mit "Absorbens" verwendet . Das Adsor- bens wird durch die Behandlung des Substrates mit dem mindestens einen kationischen Polyelektrolyt erhalten. Der Ausdruck "Sorptionsmittel" soll klarstellen, dass darin neben dem Adsorbens (auch als "kationisiertes Adsorbens" bzw. „kationisiertes SchichtsilicatΛΛ bezeichnet) noch weitere Adsorbentien (für Biomoleküle) enthalten sein können.
Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform basiert das erfindungsgemäß eingesetzte Sorptionsmittel auf einem Adsorbens , an das mindestens ein kationisches Polyelektrolyt adsorbiert wurde (hier als kationisiertes Adsorbens bezeichnet ) , d. h. mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 75% , insbesondere mindestens 90 oder sogar 95% des erfindungsgemäßen Sorptionsmittels bestehend aus dem kationisierten Adsorbens , wie hierin definiert . Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das erfindungsgemäße Sorptionsmittel im Wesentlichen oder vollständig aus mindestens einem kationisierten Adsorbens wie hierin beschrieben . Das erfindungsgemäß eingesetzte Sorptionsmittel kann j edoch auch mit anderen dem Fachmann geeignet erscheinenden Sorptionsmitteln oder weiteren Komponenten zusammen eingesetzt werden .
Ein weiterer Bereich stellt die Auftrennung von Biomolekül- Gemischen wie Nukleinsäure-Gemischen, beispielsweise über eine das erfindungsgemäße Sorptionsmittel enthaltende Matrix (Träger) , dar . Die erfindungsgemäßen Adsorbentien sind j edoch prinzipiell auch geeignet für die Abtrennung oder Aufreinigung von Proteinen und anderen Biomolekülen . Unter Biomolekül wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Molekül verstanden, das als Bausteine Nukleotide bzw . Nukleoside (Nu- kleobasen) , Aminosäuren, Monosaccharide und/oder Fettsäuren aufweist , insbesondere Proteine, Nukleinsäuren, Polysaccharide und/oder Lipide, bevorzugt Nukleinsäuren wie DNA und Proteine . Besonders bevorzugt ist j edoch die Verwendung zur Sorption von Nukleinsäuren .
Wie vorstehend ausgeführt, können grundsätzlich können beliebige Substrate eingesetzt werden, solange diese eine Oberfläche aufweisen, die mit mindestens einem Polyelektrolyten modifiziert bzw. belegt werden kann. Es sind sowohl anorganische als auch organische Substrate umfasst . Vorzugsweise ist das Substrat in dem Medium, das das mindestens eine Biomolekül enthält , im wesentlichen unlöslich . Bevorzugt werden anorganische Substrate . Auch wurde gefunden, dass besonders vorteilhafte Ergebnisse erhalten werden, wenn das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe der natürlichen und synthetischen Schichtsilicate, der Kieselsäuren, insbesondere der gefällten Kieselsäuren, der Kieselgele, der Magnesiumsilicate, der Zeolithe, der Aluminiumoxide, insbesondere der porösen Aluminiumoxide, Titandioxid, Zirkonoxid, oder deren Gemischen. Diese Substrate sind einerseits in den bevorzugten Medien im wesentlichen unlöslich und weisen gute Sorptionseigenschaften auf .
Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Adsorbens ausgewählt aus der Gruppe der natürlichen oder synthetischen Schichtsilicate oder deren Mischungen, Solche Schichtsilicate sind dem Fachmann geläufig und umfassen insbesondere die smektitischen oder montmorillo- nithaltigen Schichtsilicate, wie Bentonit . Allgemein können sowohl sogenannte naturaktive als auch nicht-naturaktive Schichtsilicate verwendet werden, insbesondere di- und triok- taedrische Schichtsilicate der Serpentin-, Kaolin- und TaIk- pyrophylitgruppe, Snaektite, Vermiculite, Hüte und Chlorite sowie solche der Sepiolith-Palygorskit-Gruppe, wie z . B . Mont- morillonit, Natronit, Saponit und Vermiculit oder Hectorit, - -
Beidellit, Palygorskit sowie Wechsellagerungsminerale (mixed layer mineral) . Natürlich können auch Gemische aus zwei oder mehreren der vorstehenden Materialien eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind Schichtsilicate aus der Montmorillo- nit/Beidellit Reihe wie- z . B . Montmorillonit , Bentonit, Natro- nit, Saponit und Hectorit .
Als besonders brauchbar haben sich auch Verwitterungsprodukte von Tonen- mit einer spezifischen Oberfläche von mehr als 200 m2/g, einem Porenvolumen von mehr als 0 , 5 ml/g und einer Ionenumtauschfähigkeit (CEC) von mehr als 40 meq/100g in säureaktivierter Form erwiesen. Besonders bevorzugt werden nach dieser speziellen Ausführungsform zur Säureaktivierung Rohtone, deren Ionenumtauschfähigkeit über 50 meq/100g, vorzugsweise im Bereich von 55 bis 85 meq/100g liegen. Die spezifische BET-Oberfläche liegt besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 280 m2/g, insbesondere zwischen 200 und 260 m2/g . Das Porenvolumen liegt vorzugsweise im Bereich von 0 , 7 bis 1 , 0 ml/lOOg, insbesondere im Bereich von 0 , 80 bis 1 , 0 ml/lOOg. Die Säureaktivierung solcher Rohtone kann wie hierin näher spezifiziert durchgeführt werden. Solche Tone sind beispielsweise in der DE 103 56 894.8 der gleichen- Anmelderin beschrieben, die diesbezüglich ausdrücklich durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.
Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch gefunden, dass insbesondere die zweischichtigen und die dreischichtigen Schichtsilicate nach der Modifikation mit mindestens einem kationischen Polyelektrolyt, insbesondere gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren, vorteilhaft zur Sorption von Nukleinsäuren und anderen Biomolekülen verwendet werden können. Besonders bevorzugt sind dabei die smektitischen Schichtsilicate (s . o . ) , insbesondere ein Bentonit, besonders bevorzugt ein Natrium- , Calcium- oder Natrium/Calcium-bentonit . Es kön- nen sowohl unbehandelte Schichtsilicate als auch mit Säure oder Alkali (z .B . Soda) aktivierte Schichtsilicate verwendet werden.
Die (säure) aktivierten Schichtsilicate werden besonders bevorzugt, da sich hier nach der Kationisierung (Belegung mit dem Polyelektrolyten) die besten Ergebnisse bei der Sorption von Biomolekülen zeigten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde weiterhin gefunden, dass unter den möglichen Substraten die Bentonite als solche, d. h. ohne eine Kätionisierung mit Polyelektrolyt bereits überraschend gute Sorptionseigenschaften für Biomoleküle aufweisen. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich daher auf ein Verfahren zur Sorption von Biomolekülen wie hierin beschrieben unter Verwendung von mindestens einem Bentonit als Adsorbens bzw. Sorptionsmittel . Weiter bevorzugt handelt es sich bei dem Bentonit um einen alkalisch (z . B . mit Soda) oder mit einer Säure aktivierten Bentonit . Hier wurden noch bessere Sorptionseigenschaften für Biomoleküle wie DNA gefunden als für die nicht-aktivierten Materialien, wozu auch auf die parallele DE 10 2004 028 267 der gleichen Anmelderin verwiesen werden kann. Noch weiter bevorzugt werden die vorstehenden nicht-aktivierten oder aktivierten Bentonite mit mindestens einem Polyelektrolyten wie hierin definiert belegt, da sich diese Materialien besonders gut als. Substrate eignen und nach der Belegung mit dem Polyelektrolyten besonders gute Sorptionseigenschaften für Biomoleküle erhalten werden können. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden mit Säure oder Alkali ( z . B . Soda) aktivierte Schichtsilicate, ausgewählt aus der vorstehenden Gruppe der natürlichen und synthetischen Schichtsilicate oder den vorstehenden Tonverwitterungsprodukten, insbesondere aus den Bentoniten, die mit mindestens einem kationischen Polyelktrolyten wie - -
hierin definiert behandelt bzw. modifiziert sind, verwendet . Für diese Materialien als Substrate ergaben sich unerwartet sogar bei "herkömmlicher" Belegung mit dem mindestens einem kationischen Polyelektrolyten z . B . in einer Suspension oder Slurry (Aufschlämmung) noch überraschend gute Sorptionseigenschaften für Biomoleküle . Am meisten bevorzugt wird j edoch wegen der besten Sorptionsergebnisse die "trockene" Belegung wie hierin beschrieben. Nach einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher allgemein auch die Verwendung λron säureaktivierten oder alkalisch aktivierten Schichtsilicaten, die mit mindestens einem kationischen Polyelektrolyt belegt sind, zur Sorption von Biomolekülen sowie eine Zusammensetzung, enthaltend solche mit Säure oder Alkali aktivierten ka- tionisierten Schichtsilicate und mindestens ein Biomolekül . Dabei kann die Säureaktivierung nach einem beliebigen, dem Fachmann geläufigen Verfahren durchgeführt werden. Hier kann auf die DE 10 2004 028 267 der gleichen Anmelderin verwiesen werden, deren Offenbarung zu den säureaktivierten Schichtsilicaten durch Bezugnahme ausdrücklich in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird. Beispielsweise können über die Bedingungen bei der Säureaktivierung der Schichtsilicate, d. h. insbesondere die Menge bzw. Konzentration der eingesetzten Säure, der Temperatur und der Dauer der Säurebehandlung, kann auch die Porosimetrie der säureaktivierten Schichtsilicate gezielt beeinflusst werden kann. So kann z .B . durch eine stärkere Säureaktivierung mit einer erhöhten Säuremenge oder bei einer erhöhten Temperatur über eine längere Zeitdauer eine größere Porosität der Schichtsilicate bewirkt werden, vor allem im Bereich der kleineren Poren mit einem Durchmesser von weniger als 50 nm, insbesondere weniger als 10 nm, bestimmt nach der CC14-Methode gemäß Methodenteil . So kann durch eine Erhöhung der zur Säureaktivierung verwendeten Säuremenge das Mikroporenvolumen des Schichtsilicats gesteigert werden.- Gleichzeitig nimmt die Kationenaustauschkapazität ' ab . Somit kann für die j eweils interessierende Nukleinsäurespe- zies die Sorptionsfähigkeit des säureaktivierten Schichtsili- cats bzw. dessen Ab- und Desorptionsrate über die Säureaktivierung im Einzelfall , anhand routinemäßiger Untersuchung einer Reihe unterschiedlich säureaktivierter Schichtsilicate, optimiert werden. Beispielsweise können über die Säureaktivierung die Poren/Hohlräume in den erfindungsgemäßen Sorptionsmitteln in der gemäß EP 0 104 210 oder US 4 , 029 , 583 (s . o . ) vorgesehenen Weise modifiziert werden. Zur Aktivierung der Schichtsilicate mit Säure kann auch j edes dem Fachmann geläufige Verfahren verwendet werden, einschließlich der in der WO 99/02256 , der US-5 , 008 , 226 ' und der US-5 , 869 , 415 beschriebenen Verfahren. Allgemein bringt man dabei Schichtsilicate mit mindestens einer Säure in Kontakt . Es können allgemein beliebige organische oder anorganische Säuren oder deren Gemische verwendet werden. Beispielsweise kann ein Aufsprühen von Säure nach einem sogenannten SMBE Prozess (Surface Modified Bleaching Earth) erfolgen. Hier findet die Aktivierung an der Oberfläche der Schichtsilicate statt , ohne dass in einer Lösung bzw. Dispersion gearbeitet wird.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Substraten nicht um or- ganophile Tonmaterialien bzw. mit organischen Kationen (z .B . Oniumionen) belegte Schichtsilicate .
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das eingesetzte Substrat, insbesondere wenn es sich um einen Bentonit handelt, eine Ionenumtauschfähigkeit (Kationenaustauschkapazität, CEC) von mindestens 50 meq/lOOg, vorzugsweise von mindestens 75 meq/lOOg auf .
Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das verwendete Adsorbens einen durchschnittlichen Po- - -
rendurchmesser, bestimmt nach der BJH-Methode (DIN 66131) , zwischen etwa 2 nm und 25 nm, insbesondere zwischen etwa 4 und etwa 10 nm auf . Diese Adsorbentien lassen sich vorteilhaft mit kationischem Polyelektrolyt belegen, und ermöglichen eine besonders gute . Sorption von Biomolekülen wie Nukleinsäu- remolekülen.
Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt das Porenvolumen, bestimmt nach der CC14-Methode gemäß Methodenteil , von Poren bis 80 nm Durchmesser zwischen etwa 0 , 15 und 0 , 80 ml/g, insbesondere zwischen etwa 0 , 2 und 0 , 7 ml/g. Die entsprechenden Werte für Poren bis zu 25 nm Durchmesser liegen im Bereich zwischen etwa 0 , 15 und 0 , 45 ml/g, insbesondere 0 , 18 bis 0 , 40 ml/g. Die entsprechenden Werte für Poren bis zu 14 nm liegen im Bereich zwischen etwa 0 , 10 und 0 , 40 ml/g, insbesondere etwa 0, 12 bis 0 , 37 ml/g. Die Porenvolumina für Poren zwischen 14 und 25 nm Durchmesser können beispielsweise zwischen 0 , 02 und 0 , 3 ml/g liegen. Das Porenvolumen von Poren mit 25 bis 80 nm kann beispielsweise im gleichen Bereich liegen.
Das erfindungsgemäß . eingesetzte Sorptionsmittel kann in Form eines Pulvers , Granulats oder eines beliebig geformten Formkörpers eingesetzt werden. Bei Pulvern bietet sich der Einsatz in Form von Suspensionen des Sorptionsmittels in den das mindestens eine Nukleinsäuremolekül enthaltenden Medien an. Andererseits lassen sich durch eine gröbere Vermahlung auch Partikel einstellen, die in der Chromatographie übliche Korngrößenverteilung zeigen, so dass sich die Materialien auch zu Schwerkraftsäulen oder Chromatographiesäulen packen lassen. Generell kann die Verwendung der Sorptionsmittel in j eder beliebigen Form einschließlich von geträgerten bzw. immobilisierten Formen erfolgen. Beispielsweise ist auch ein Einsatz bei der Auftrennung von verschiedenen Nukleinsäurekomponenten - -
anhand ihres Molekulargewichts denkbar . Die Anwendungsform der erfindungsgemäßen Adsorbentien ist dabei nicht auf die angeführten Beispiele beschränkt .
Allgemein wird die Korn- bzw. Formkörpergröße des erfindungsgemäß verwendeten Adsorbens bzw. Sorptionsmittel von der jeweiligen Anwendung abhängen. Alle Korngrößen bzw. Agglomeratgroßen sind hier möglich. Beispielsweise kann das Sorptionsmittel in Pulverform, insbesondere mit einem D50-Wert von 1 bis 1.000 μm insbesondere von 5 bis 500 μm eingesetzt werden. Typische brauchbare Granulate liegen im Bereich (D50) zwischen 100 μm bis 5.000 μm, insbesondere 200 bis 2.000 μm Teilchengröße . Bei vielen Anwendungen kann vorteilhaft auf Formkörper aus bzw. mit den Sorptionsmitteln zurückgegriffen werden, beispielsweise bei Chromatographiesäulen, einschließlich von Schwerkraft- oder Zentrifugationssäulen, Festphasenchromatographien, Filterpatronen, Membranen etc ..
Nach einer besonders bevorzugten, erfindungsgemäßen Ausführungsform kann, wie vorstehend erwähnt, das erfindungsgemäß eingesetzte Adsorbens bzw. Sorptionsmittel in immobilisierter Form vorliegen. Beispielsweise kann das Sorbens in eine FiI- ' terpatrone, eine HPLC-Patrone oder eine vergleichbare Darreichungsform eingebettet sein. Auch eine Einbettung in Gele, wie z . B . Agarosegele oder andere gelartige oder matrixartige Strukturen ist bevorzugt möglich. Solche Applikationen werden häufig im Rahmen von sogenannten Kits zur Aufreinigung von Nukleinsäuremolekülen verkauft , wie z . B . die Produkte der Firma Quiagen, wie Quiagen genomic tip oder dergleichen. Dabei wird allgemein das die interessierenden Nukleinsäuremole- küle enthaltende Medium durch eine das Sorbens enthaltende Säule bzw. Filterpatrone oder dergleichen geschickt . Anschließend kann mit geeigneten Puffern gewaschen werden, um anhaftende Verunreinigungen zu entfernen. Es folgt schließ- - -
lieh ein Elutionsschritt zur Gewinnung der interessierenden Nukleinsäuremoleküle .
Nach einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das Adsorbens bzw. Sorptionsmittel eine BET- Oberfläche (bestimmt nach DIN 66131) von mindestens 50 bis 800 m2/g, insbesondere mindestens 100 bis 600 m2/g, besonders bevorzugt von mindestens 130 bis 500 m2/g, auf . Durch die hohe Oberfläche wird offenbar sowohl die vorteilhafte Belegbarkeit mit dem kationischen Polyelektrolyt als auch die Interaktion mit. der Nukleinsäure erleichtert, wobei die Desorptions- möglichkeit überraschend erhalten bleibt .
Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform handelt es sich bei den Nukleinsäuren um DNA- oder RNA-Moleküle in doppelstrangiger oder einsträngiger Form mit einem oder mehreren Nukleotidbausteinen.
In Bezug auf Nukleinsäuren ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft bei Medien, die Oligonukleotide bzw. Nukleinsäuren mit mindestens 10 Basen (paaren) , vorzugsweise mit mindestens 100 Basen (paaren) , insbesondere mindestens 1000 Basen (paaren) enthalten. Natürlich lässt sich dass erfindungsgemäße Verfahren auch bei Nukleinsäuren zwischen 1 und 10 Basen (paaren) einsetzen bzw. bei recht großen Nuklein- säuremolekülen, wie Plasmiden oder Vektoren mit beispielsweise 1 bis 50 kB oder längeren genomischen oder c-DNA-Frag- menten. Genauso umfasst sind Restriktionsverdaute DNA- und R-NA-Fragmente, synthetische oder natürliche Oligo- und Polymere aus Nukleinsäuren, Cosmide etc .
Von Interesse ist z .B . die chromatographische Trennung von biologischen Makromolekülen wie langkettigen Oligonukleotiden, hochmolekularen Nukleinsäuren, tRNA, 5S-rRNA, anderen rRNA- Spe- zies , einsträngiger DNA, doppeisträngiger DNA (z .B. Plasmide oder Bruchstücke genomischer DNA) etc .. Dabei kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überraschend eine verbesserte Auflösung bei hoher Durchsatzgeschwindigkeit erzielt werden. Die verwendeten Adsorbentien sind dabei in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar, zeigen eine hohe Beladbarkeit, eine hohe Druckbeständigkeit und eine lange Lebensdauer.
Auch steigt der Bedarf an hochreinen Nukleinsäuren, wie z . B . hochreine Plasmid DNA für moderne biotechnologische, aber auch medizinische Entwicklung, wie z .B . auf dem Gebiet der Gentherapie . Die im Stand der Technik bekannten Protokolle zur hochreinen Aufreinigung von Nukleinsäuren sind dabei häufig kosten- und/oder zeitintensiv, nicht geeignet zum Einsatz im Großmaßstab oder für therapeutische Zwecke nicht sicher genug, da toxische Lösungsmittel oder Enzyme tierischer Herkunft, wie z .B . RNAse verwendet werden.
Allgemein kann das erfindungsgemäße Adsorbens bzw. Sorptionsmittel in j eglichen Medien eingesetzt werden. Bevorzugt sind polare Medien, in denen die interessierenden Biomoleküle bzw. Nukleinsäure in der Regel enthalten sind.
Unter den besonders bevorzugten wässrigen oder alkoholischen Medien werden erfindungsgemäß alle wasser- oder alkoholhaltigen Medien, einschließlich wässrig-alkoholische Medien, verstanden. Allgemein sind auch alle Medien umfasst, in denen Wasser mit anderen Lösungsmitteln vollständig mischbar bzw. vollständig gemischt ist . Anzuführen sind insbesondere Alkohole, wie Methanol , Ethanol sowie C3- bis C10-Alkohole mit einer oder mehreren OH-Gruppen oder auch Säuren. Denkbar sind also' auch mit Wasser vollständig mischbare Lösemittel sowie deren Mischungen mit Wasser und Alkohol . Insbesondere handelt es sich in der Praxis hierbei um wässrige, wässrig-alkoholi- sehe oder alkoholische Medien im Zusammenhang mit einer Lösung, Suspension, Dispersion, kolloidalen Lösung oder Emulsion.
Typische Beispiele sind wässrige oder alkoholische Puffersysteme, wie sie in der Wissenschaft .und Industrie verwendet werden, industrielle oder nicht-industrielle Abwässer, Prozessbrauchwässer, Fermentationsrückstände bzw. -medien, Medien aus der medizinischen oder biologischen Forschung, flüssige oder fluide Altlasten und dergleichen.
Das erfindungsgemäße Adsorbens bzw. Sorptionsmittel kann weitere Komponenten enthalten, solange diese die Adsorption der Nukleinsäuren, und soweit vorgesehen, auch deren Desorption nicht inakzeptabel beeinträchtigt . Solche zusätzlichen Komponenten können, ohne hierauf beschränkt zu sein,, organische oder anorganische Bindemittel (siehe unten) , weitere dem Fachmann geläufige Sorptionsmittel für Biomoleküle oder andere interessierende anorganische oder organische Substanzen aus dem Medium, oder auch Trägerstoffe wie Glas, Kunststoff- oder keramische Materialien oder dergleichen umfassen.
So können nach einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform die Adsorbens- bzw. Sorptionsmittelteilchen über ein geeignetes Bindemittel zu größeren Agglomeraten, Granulaten bzw. Formkörpern verbunden oder auf einen Träger aufgebracht werden. Die Form und Größe solcher übergeordneter Strukturen, die die primären Sorptionsmittel- oder Schichtsi- licatteilchen enthalten, richtet sich nach der j eweils gewünschten Anwendung. Es' können somit alle- dem Fachmann geläufigen und im Einzelfall geeigneten Formen und Größen eingesetzt werden. Beispielsweise können in vielen Fällen Agglome- rate mit einem Durchmesser von mehr als 10 μm, insbesondere' mehr als 50 μm bevorzugt sein. Bei einer' Schüttung für Chromatographiesäulen und dergleichen kann dabei eine Kugelfόrm - -
der Agglomerate vorteilhaft sein. Ein möglicher Träger ist beispielsweise Calciumcarbonat, Kunststoffe oder keramische Materialien.
Auch kann jedes dem Fachmann geläufige Bindemittel verwendet werden, solange die An- bzw. Einlagerung der Biomoleküle in bzw. an das Adsorbens bzw. Sorptionsmittel nicht zu stark beeinträchtigt wird bzw. die für die jeweilige Anwendung zu erfordernde Stabilität der Teilchenagglomerate bzw. Formkörper gewährleistet ist . Beispielsweise, ohne hierauf beschränkt zu sein, können als Bindemittel verwendet werden: Agar-Agar, Al- ginate, Chitosane, Pektine, Gelatinen, Lupinenproteinisolate oder Gluten.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren, das die- folgenden Schritte umfasst :
a) in Kontakt bringen des vorzugsweise wässrigen oder alkoholischen Mediums , das das mindestens eine Biomolekül enthält, mit dem Adsorbens bzw. Sorptionsmittel,
b) Ermöglichen der Sorption des mindestens einen Biomoleküls an bzw. in das Adsorbens bzw. Sorptionsmittel,
c) Abtrennen des an das Adsorbens bzw. Sorptionsmittel gebundenen Biomoleküls zusammen mit dem Adsorbens bzw. Sorptionsmittel aus dem vorzugsweise wässrigen oder alkoholischen Medium,
d) gegebenenfalls Abtrennung bzw. ■ Desorption des mindestens einen Biomoleküls von dem Adsorbens bzw. Sorptionsmittel .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur An- bzw. Einlagerung von Biomolekülen an bzw. in das Adsorbens bzw. Sorptionsmittel kann sowohl zur Anreicherung (d.h. Erhöhung der Konzentration des/der gewünschten Biomoleküls) als auch Abreicherung (d. h. Verringerung der Konzentration des/der gewünschten Biomoleküls) oder Auftrennung mehrerer unterschiedlicher Biomoleküle genutzt werden.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren auf eine Entfernung oder Entsorgung von Biomolekülen abzielt, kann in einem weiteren Schritt das die Biomoleküle enthaltende Sorptionsmittel entsorgt werden. Die Entsorgung kann dabei beispielsweise durch thermische Behandlung zur Entfernung des die Biomoleküle enthaltenden Schichtsilicats erfolgen, wobei nach der thermischen Desintegration der Biomoleküle das Sorptionsmittel entsorgt werden kann.
So ist es nach einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt möglich, Biomoleküle wie Nukleinsäuren gezielt aus Medien zu entfernen. Dies spielt beispielsweise bei der Abwasseraufbereitung eine große Rolle, da hier in den meisten Staaten strenge gesetzliche Vorschriften zur Entfernung von Nukleinsäuren und anderen Biomolekülen aus Abwässern bestehen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann auch die Abreicherung bzw. Entfernung von Biomolekülen aus Kulturmedien durchgeführt werden. So kann es beispielsweise in Bioreaktoren aufgrund der im Medium enthaltenen hohen Konzentration an Nukleinsäuremolekülen, insbesondere hochmolekularen Nukleinsäuren, zu einem unerwünschten Anstieg der Viskosität kommen. Hier kann über das erfindungsgemäße- Verfahren eine effiziente und biologisch verträgliche Entfernung der störenden Nukleinsäuremoleküle aus dem Kulturmedium erfolgen. Durch die Zugabe des erfindungsgemäßen Sorptions- mittels zu dem Kulturmedium kann die Viskosität auch auf ein gewünschtes Maß eingestellt werden. - -
Genauso ist es in vielen Fällen erwünscht, die Konzentration an Biomolekülen in einem Medium zu erhöhen bzw. diese Biomoleküle möglichst in reiner Form zu gewinnen. Beispielsweise gehört die Gewinnung bzw. Aufreinigung gewünschter Nukleinsäuren aus Lösungen zu den Standardprozeduren in der biologischen und medizinischen Forschung. Dabei kann erfindungsgemäß in einem weiteren Schritt das Nukleinsäuremolekül von dem Sorptiσnsmittel wieder desorbiert bzw. gewonnen werden, wodurch das Sorptionsmittel auch erneut eingesetzt werden kann, gegebenenfalls nach erneuter Säureaktivierung des Schichtsi- licats .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Zusammensetzung mit einem Adsorbens bzw. Sorptionsmittel wie hierin definiert und mindestens einem Biomoleküle wie hierin definiert in einem fluiden oder flüssigen Medium, vorzugsweise einem wässrigen oder alkoholischen Medium, enthaltend mindestens ein Biomolekül .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung der erfindungsgemäßen Sorptionsmittel als anorganische Vektoren zum Einbringen von Biomolekülen in Zellen o- der als pharmazeutische Zusammensetzung, insbesondere als Reservoir zur Speicherung und kontrollierten Freisetzung von Biomolekülen, bevorzugt von Nukleinsäuren. So wurde überraschenderweise gefunden, dass sich die erfindungsgemäßen Sorptionsmittel auch zu einer effizienten Einschleusung dieser Biomoleküle in prokaryontische oder eukaryontische Zellen eignen. Offenbar lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Biomoleküle, insbesondere Nukleinsäuren, in besonders vorteilhafter Weise zur Einschleusung in Zellen "verpacken" . Der prinzipielle Mechanismus einer solchen Einschleusung am Beispiel von DNA-LDH-Nanohybriden ist beispielsweise in der Literaturstelle Choy et al . , Angew. Chem. 2000 ,. 112 (22) , Seiten 4207-4211 , sowie in der EP 0 987 328 A2 beschrieben, auf die diesbezüglich, verwiesen wird und die hiermit durch Bezugnahme im Hinblick auf das Verfahren in die Beschreibung aufgenommen werden. Die Verwendung als pharmazeutische Zusammensetzung, insbesondere als Reservoir zur Speicherung und kontrollierten Freisetzung von Biomolekülen, bevorzugt von Nukleinsäuren, ' ist als solche in der WO 01/49869 beschrieben, auf die diesbezüglich verwiesen und die hiermit durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird.
Schließlich betrifft ein- weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Adsorbens bzw. Sorptionsmittel für Biomoleküle, erhältlich nach einem Verfahren wie hierin beschrieben> Ein solches Adsorbens bzw. Sorptionsmittel zeichnet sich u. a . durch eine bessere Sorptionskapazität für Biomoleküle wie DNA als herkömmliche Adsorbentien aus .
Die Bestimmung der hierin genannten Größen erfolgte, soweit nicht anders angegeben, gemäß der Methoden im nachstehenden Methodenteil .
Durch die Dosierung des Polyelektrolyten bzw. durch das Verhältnis von Polyelektrolyt zu smektitischem Schichtsilicat lassen sich auch gezielt bestimmte Zeta-Potentiale bzw. Oberflächenladungsdichten der kationisierten Adsorbentien einstellen. Dies zeigt die- gute Eignung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Produktion von Adsorbentien mit maßgeschneiderten (kationisierten) Oberflächen.
Neben den vorstehenden Anwendungen der erfindungsgemäßen kationisierten smektitischen Schichtsilicate sind auch zahlreiche andere Anwendungen denkbar, beispielsweise bei der Sorption von anionisch geladenen Partikeln in flüssigen Medien, bei der Chromatographie, der Abwasserreinigung oder dergleichen. Allgemein _
sind alle Anwendungen denkbar, bei denen jeweils Ladungswechsel- Wirkungen für die Adsorption von abzutrennenden Stoffen oder Kolloiden mit den neuen Adsorbentien ausgenutzt werden.
In der vorliegenden Beschreibung wird der. Ausdruck Adsorbens gleichbedeutend mit Absorbens und Sorptionsmittel verwendet, unabhängig von den unterschiedlichen Sorptionsmechanismen.
Die Bestimmung der hierin genannten Größen erfolgte, soweit nicht anders angegeben, gemäß der Methoden im nachstehenden Methodenteil .
Methodenteil :
1. Bestimmung der Oberflächenladungsdichte
Hierzu wurde ein Mütek PCD-03 Messgerät (bezogen von der Firma Mütek Analytic GmbH, Herrsching, DE) gemäß den Angaben des Herstellers eingesetzt .
Die Adsorbentien wurden mit 1 Gew. -% in Wasser 10 min. mit einem Magnetrührer gerührt . Von dieser Stammlösung werden 10 ml in die Messzelle pipettiert, 5 min-, in der Messzelle geschert und anschließend mit PES-Na O 7 OlN oder Polydadmac 0 , 0IN titriert . Die Ergebnisse werden in meq/.g Adsorbens angegeben.
2. Messung des Zeta-Potentials
Von den zu untersuchenden Adsorbentien wurde jeweils eine wäss- rige Suspension mit dest . Wasser hergestellt . Die zu messende Suspension wurde jeweils auf pH 7 eingestellt . Das Zeta-Poten- tial der Teilchen wurde- mittels des Zetaphoremeters II der Firma Particle Metrix nach den Angaben des Herstellers nach dem Prin- zip der Mikroelektrophorese bestimmt . Dabei wurde die Wanderungsgeschwindigkeit der Teilchen in einem bekannten elektrischen Feld gemessen. Die Partikelbewegungen, die in einer Mess- zelle stattfinden, werden mit Hilfe eines Mikroskops beobachtet . Die Wanderungsrichtung gibt Aussage über die Art der Ladung (positiv oder negativ) und die Teilchengeschwindigkeit ist direkt proportional zur elektrischen Grenzflächenladung der Teilchen bzw. zum Zeta-Potential . Die Partikelbewegungen in der Messzelle werden mittels Bildanalyse festgehalten und nach Ablauf der Messung werden die zurückgelegten Partikelbahnen berechnet und die daraus resultierende. Teilchengeschwindigkeit ermittelt .
Unter Berücksichtung der Suspensionstemperatur und der elektrischen Leitfähigkeit wurde gemäß den Angaben des Herstellers hieraus das Zeta-Potential (angegeben in mV) errechnet .
3. Bestimmung der spezifischen Oberfläche (BET)
Die Messungen wurden mit einem Micromeritics "Gemini 2360" Gerät gemäß DIN 66131 (MehrpunktbeStimmung) durchgeführt .
4. Bestimmung der Teilchengrößenverteilung (nach Malvern)
Dabei handelt es sich um ein gängiges Verfahren. Es wurde ein Mastersizer der Firma Malvern Instruments Ltd, UK, entsprechend der Angaben des Herstellers eingesetzt . Die Messungen wurden mit der vorgesehenen Probenkammer ( "dry powder feeder" ) in Luft durchgeführt und die auf das Probenvolumen bezogenen Werte (wie die durchschnittliche Teilchengröße D50) ermittelt . - —
5. Bestimmung der Kationenaustauschkapazität (CEC-Analyse) und der Kationenanteile
Prinzip: Der Ton wird mit einem großen Überschuss an wässriger NH4Cl-Lösung- behandelt, ausgewaschen und die auf dem Ton verbliebene NH4 +-Menge nach Kjeldahl bestimmt .
Me+ (Ton) "+ NH4 + NH4 + (Ton) ""+Me+
(Me+ = H+, K+, Na+, 1/2 Ca2+, 1/2 Mg2+.... )
Geräte: Sieb, 63 μm; Erlenmeyer-Schliffkolben, 300 ml; Analysenwaage; Membranfilternutsche, 400 ml; Cellulose-Nitrat-Filter, 0, 15 μm (Fa. Sartorius) ; Trockenschrank; Rückflusskühler; Heizplatte; Destillationseinheit, VAPODEST-5 (Fa. Gerhardt, No. 6550) ,- Messkolben, 250 ml; Flammen-AAS
Chemikalien: 2N NH4C1-Lösung Neßlers-Reagens (Fa. Merck, Art .Nr. 9028) ; Borsäure-Lösung, 2 %-ig; Natronlauge, 32 %-ig; 0, 1 N Salzsäure; NaCl-Lösung, 0, 1 %-ig; KCl-Lösung, 0, 1 %-ig
Durchführung: 5 g Ton werden durch ein 63μm-Sieb gesiebt und bei 1100C getrocknet . Danach werden genau 2 g auf der Analysenwaage in Differenzwägung in den Erlenmeyer-Schiiffkolben eingewogen und mit 100 ml 2N NH4C1-Lösung versetzt . Die Suspension wird unter Rückfluss eine Stunde lang gekocht . Bei stark CaCO3-haltigen Bentoniten kann es zu einer Ammoniak-Entwicklung kommen. In diesen Fällen muss solange NH4Cl-Lösung zugegeben werden, bis kein Ammoniak-Geruch mehr wahrzunehmen ist. Eine zusätzliche Kontrolle kann mit einem feuchten Indikator-Papier durchgeführt werden. Nach einer Standzeit von ca. 16 h wird der NH4 +-Bentonit über eine Membranfilternutsche abfiltriert und bis zur weitgehenden Ionenfreiheit mit VE-Wasser (ca. 800 ml) gewaschen. Der Nachweis der Ionenfreiheit des Waschwassers wird auf NH4 +-Ionen mit dem dafür empfindlichen Neßlers-Reagens durchgeführt . Die Waschzahl - -
kann j e nach Tonart zwischen 30 Minuten -und 3 Tagen variieren. Der ausgewaschene NH4 +-Bentonit wird vom Filter abgenommen, bei 1100C 2h lang getrocknet, gemahlen, gesiebt (63 μm-Sieb) und nochmals bei 110 0C 2 h lang getrocknet . Danach wird der NH4 +- - Gehalt des Bentonits nach Kjeldahl bestimmt .
Berechnung der CEC: Die CEC des Tons ist der mittels Kjeldahl ermittelte NH4 +-Gehalt des NH4 +-Bentonits (CEC einiger Tonmineralien s .- Anlage) . Die Angaben erfolgen in mval/100 g Ton (meg/lOOg) .
Beispiel : Stickstoff-Gehalt = 0, 93 %; Molekulargewicht : N = 14, 0067 g/mol
0, 93 x 1000
CEC = = 66, 4 mVal/100g
14, 0067
CEC = 66, 4 meq/100 g NH4 +-Bentonit
6. Untersuchung der Störstoffbindung:
Bei der Untersuchung der Störstoffbindung wurde wie folgt vorgegangen:
a) Herstellung von Papierstoff und Filtration:
Der gewählte Papierstoff (z .B. 45 % Zellstoff und 55% perόxid- gebleichter Holzschliff) kann entweder direkt aus der Papierfabrik erhalten werden, oder vor dem Einsatz im Kühlschrank aufbewahrt werden. Der Papierstoff wurde dann gut geschüttelt bei 20 g atro auf 2% mit warmem entionisiertem Wasser in einem 2000ml Becherglas verdünnt . Während mit 400 UpM gerührt wurde, erwärmte sich der Papierstoffansatz mit Hilfe einer Heizplatte auf 400C. Wird die Temperatur erreicht, wird die zu testende Menge an Ad- sorbens mit Hilfe einer Pasteurpipette zu dem Papierstoffansatz - o -
zugegeben. Anschließend ist die Adsorptionszeit im Stoffansatz auf 30 min bei 400C festgelegt und die Mischung wird solange mit 400 UpM gerührt . Danach wird der Papierstoffansatz mit dem Ad- sorbens auf 1% Feststoffgehalt mit Hilfe von entionisiertem Wasser (4O0C) verdünnt .
Für die Siebwasserherstellung werden 1000g dieses verdünnten Stoffansatzes (1 Gew. -% Feststoffanteil) im Entwässerungs- und Retentionsgerät (Mütek DF3 03 der Firma Mütek, DE) 420 Sekunden entwässert (Sieb 170 μm, Rührgeschwindigkeit 700 upM) . Die Siebwasserproben werden analytisch untersucht .
b) Flowcytoτnetrische Analyse des Siebwassers :
Hier wurde die sogenannte Durchflusscytometrie verwendet, wie. dies in Vähäsalo et al . , "Use of Flow Cytometrie In Wet End Research" , Paper Technology, 44 (1) , S . 45 , February 2003 und ergänzend in "Effects Of pH' and calcium Chloride on pitch in per- oxide-bleached mechanical pulp suspensions " , 7th European Workshop on Lignocellulosics and Pulp, August 26-29 , 2002 , Äbo/Fiήn- land, beschrieben. Dabei wird, kurz gesagt, eine Lichtstreumethode zum Zählen der Teilchen mit einer Fluoreszenzmarkierung verbunden.
7. Bestimmung des Quellvolumens:
Ein kalibrierter 100 ml-Meßzylinder wird mit 100 ml dest . Wasser gefüllt . 2 , 0 g der zu messenden Substanz werden in Portionen von 0, 1 bis 0 , 2 g langsam auf die Wasseroberfläche gegeben. Nach dem Absinken das Materials wird das nächste Quantum aufgegeben. Nach Beendigung der Zugabe wartet man 1 Stunde und' liest dann das Volumen der aufgequollenen Substanz in ml/2g ab . - -
8. Bestimmung von (mittlerem) Porendurchmesser, -volumina und -flächen
Die angegebenen (mittleren) Porendurchmesser, -volumina und -flächen wurden unter Verwendung eines vollautomatischen Stickstoff-Adsorptionsmessgerätes (ASAP 2000 , Firma Micro- metrics) nach dem Standardprogramm des Herstellers (BET, BJH, trplot und DFT) bestimmt . Die prozentualen Angaben zum Anteil bestimmter Porengrößen beziehen sich auf das • Gesamtporenvolu- men an Poren zwischen 1, 7 und 300 nm Durchmesser (BJH Adsorption Pore Distribution Report) .
Soweit, angegeben, wurde die Porosimetrie nach der CCl4-Methode wie folgt durchgeführt :
Reagenzien:
Tetrachlorkohlenstoff (CCl4)
Paraffin (flüssig) , Fa. Merck, (Best .Nr . 7160.2500)
Durchführung:
1 bis 2 g des zu prüfenden Materials werden in einem kleinen Wägegläschen bei 13O0C im Trockenschrank getrocknet . Anschließend wird im Exsikkator abgekühlt, genau gewogen und das Gläschen in einen Vakuum-Exsikkator gestellt, der je nach dem zu messenden Mikroporenvolumen die folgenden Paraffin/ Tetrachlorkohlenstoff-Mischungsverhältnisse enthält : -
Paraffin (ml) CCI4 (ml) Mikroporen (A)
26 184 800
47,9 162,1 390
66,5 143,5 250
82,5 . .127,5 180
96,4 113,6 140
108,7 101 ,3 115
Der mit graduierter Kühlfalle, Manometer und Vakuumpumpe verbundene Exsikkator wird nun bis zum Sieden des Inhalts evakuiert . 10 ml Tetrachlorkohlenstoff werden verdampft und in der Kühlfalle aufgefangen.
Sodann lässt man den Exsikkatorinhalt 16 bis 20 Stunden bei Raumtemperatur ausgleichen, anschließend lässt man langsam Luft in den Exsikkator . Nach Abnehmen des Exsikkatordeckels wird das Wägegläschen sofort verschlossen und auf der Analysenwaage zurückgewogen.
Auswertung ;
Die Werte werden in Milligramm Tetrachlorkohlenstoff- Adsorption pro Gramm Substanz durch Gewichtszunahme errechnet . Durch Dividieren mit der Dichte des Tetrachlorkohlenstoffs ergeben sich die
Porenvolumen in ml/g Substanz .
Auswaage - Einwaage = Gewichtszunahme g Substanz x Einwaage x Dichte CCl4 = ml/g Substanz .
(Tetrachlorkohlenstoff bei 200C, d = 1, 595 g/cm3) Es zeigen :
Fig . 1 zeigt eine graphische Darstellung der kolloidalen "Pitch" (Störstoff) -Partikel im Siebwasser bei Einsatz von erfindungsgemäßen und nicht-erfindungsgemäßen kationisierten Adsorbentien zur Störstoffbindung bei der Papierherstellung; es ist die Konzentration der kolloidalen Störstoffteilchen (in 10δ/ml des Ansatzes ) in Abhängigkeit von der Konzentration des verwendeten Adsorbens pro t Papierstoff aufgetragen;
Fig . 2 zeigt eine graphische Darstellung der kolloidalen "Pitch" (Störstoff) -Partikel im Siebwasser bei Einsatz eines weiteren erfindungsgemäßen kationisierten Adsorbens und eines Vergleichsmaterials zur Störstoffbindung bei der Papierherstellung; es ist die Konzentration der kolloidalen Störstoffteilchen (in 106/ml des Ansatzes ) in Abhängigkeit von der Konzentration des verwendeten Adsorbens pro t Papierstoff aufgetragen;
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der DNA-Bindungskapazitäten von erfindungsgemäßen kationisierten Adsorbentien und eines Vergleichsmaterials in Abhängigkeit von der DNA- Konzentration in der Testlösung;
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden nicht-beschränkenden Beispiele näher erläutert . Herstellung der Adsorbentien
a) Herstellungsverfahren (erfindungsgemäß) : Vermählen von Basispulvern mit Polymer:
Das trockene teilchenförmige smektitische Schichtsilicat und das Polyelektrolyt-Polymerpulver werden trocken gemischt und mit einer Schlagrotormühle der Fa. Retsch vermählen (Siebe: 0, 12mm oder 0, 08mm) .
b) Vergleichsverfahren: Beaufschlagung in einer Suspension
Zum Vergleich mit Adsorbentien, die gemäß Stand der Technik in einer Suspension erzeugt wurden, wurde Beispiel 1 der US 4, 954, 955 nachgearbeitet, mit der Massgabe, dass anstelle von Kaolin ein Calciumbentonit (siehe unten) bei einem Feststoffgehalt von 15 Gew. -% mit dem Polyelektrolyt in einer wässrigen Suspension gemischt wurde. Die Menge an Polyelektrolyt wurde so bemessen, dass sich der gleiche Gewichtsanteil in dem erzeugten kationisierten Produkt wie bei den erfindungsgemäß erzeugten Produkten ergab.
Beispiele
Beispiel 1 : Belegung von Bentonit mit dem kationischen Polyelektrolyt Polydadmac (erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren) )
Ein pulverförmiger Calciumbentonit (Bentonit 1) gemäß Tabelle 1 wurde nach dem erfindungegemäßen Herstellungsverfahren mit dem Polydadmac-Pulver (Certrex, Fa . CIBA) in einer Schlagrotormühle der Fa. Retsch zusammen vermählen und schließlich auf Korngrößen < 0, 12 mm oder < 0, 08 mm abgesiebt . Die Menge an Polydadmac- Pulver, bezogen auf das Gewicht des Schichtsilicats, wird in - -
Abhängigkeit des gewünschten Gehaltes an Polyelektrolyt (Gew. -% Polydadmac) gewählt . Als Vergleichsprobe wurde reine Bleicherde entsprechend vermählen. Es wurden Polyelektrolytgehalte von 2 , 5 und 5% bezogen auf das Endprodukt für die belegten (kationisier- ten) Proben eingestellt .
Tabelle 1:
Beispiel 2 : Charakterisierung der in Beispiel 1 hergestellten Pulverproben
Die in Beispiel 1 hergestellten Pulver wurden bezüglich ihrer BET-Oberflache oder Teilchengrößenverteilung charakterisiert . Schließlich wurde die Oberflächenladungsdichte durch Titration mit PES-Natrium (0 , 01 normal) bestimmt (Mütek-PCD-0 , 3 Gerät, siehe Methoden) . Weiterhin wurden die Pulver bezüglich ihres Zeta-Potentials charakterisiert . Die charakteristischen Daten der Proben sind in den folgenden Tabellen 2 und 3 zusammengestellt : - -
Tabelle 2 : Probenzusammensetzung sowie Oberflächenladungsdichte und Zeta-Potential
Tabelle 3 : BET-Oberflache und Teilchengrδßenverteilung
Wie die vorstehenden Tabellen zeigen, ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hervorragend geeignet, aus smektitischen Schichtsilicaten mit negativer Oberflächenladung bzw. negativen Zeta-Potential Adsorbentien herzustellen, die an der Oberfläche eine hohe positive Oberflächenladungsdichte tragen und auch ein hohes positives Zeta-Potential aufweisen. Auch ist es möglich, die Oberflächenladungsdichte bzw. das Zeta-Potential gezielt durch die Menge an zugegebenen Polyelektrolyt zu steuern. Dies ermöglicht eine Herstellung ΛTOΏ. Adsorbentien mit maßgeschneiderten positiven Oberflächen. Die Werte der erfindungsgemäß hergestellten Adsorbentien in Bezug auf die Oberflächenladungsdichte und das Zeta-Potential übersteigen die für das Vergleichsadsor- bens (siehe Beispiel 3 ) .
Beispiel 3 : Vergleich der Belegung von Bentoniten mit positiven Polyelektrolyten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und nach Stand der Technik.
Als Vergleich wurde der gleiche Calciumbentonit wie in Beispiel 1 angegeben eingesetzt, und gemäß der US 4, 964 , 955 (dort Beispiel 1) mit Polydadmac belegt (siehe Vergleichsverfahren b) vor Beispiel 1 oben) .
Die so erhaltenen Adsorbentien wurden bezüglich der Oberflächenladung und des Zeta-Potentials charakterisiert . Im folgenden sind die entsprechenden Werte für die erfindungsgemäßen Adsorbentien und die Vergleichsbeispiele für den Fall des Ca- " • Bentonits gegenübergestellt (Tabelle 4) . Die Proben "Modifikation 1" und "Modifikation 2" entsprechen denjenigen aus Tabelle 2 oben. Die Oberflächenladungsdichten wurden jeweils sofort nach der Probenherstellung und nach der angegebenen Lagerungszeit gemessen.
- -
Tabelle 4 :
Die vorstehenden Resultate zeigen, dass das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren sowohl zu höheren Oberflächenladungsdichten als auch zu einem höheren Zeta-Potential führt .
Die Messung der Oberflächenladungsdichten als Funktion der Zeit weist daraufhin, dass die nach dem Verfahren gemäß Stand der Technik hergestellten Adsorbentien nicht lagerstabil sind, da die positive Oberflächenladung abnimmt . Dahingegen sind die erfindungsgemäßen Adsorbentien lagerstabil . Sie können kostengünstig hergestellt werden und bei Bedarf in Form von Slurries frisch angerührt werden.
Beispiel 4 : Filtrationsexperimente mit peroxid-gebleichtem Holzschliff
Es wurde ein erfindungsgemäß mit 5 Gew. -% Polydadmac modifizierter Bentonit (Modifikation 2 , erfindungsgemäß) und ein mit der gleichen Menge Polydadmac belegtes Vergleichsmaterial gemäß der US 4, 964 , 955 (Vergleichsmaterial gemäß US 4 , 964 , 955) verwendet (siehe Beispiel 3) .
In dem 2000 ml Becherglas wird der gut geschüttelte Holzschliff (aus dem Kühlschrank) Einwaage 20 atro auf 2% mit entionisiertem Wasser (450C) verdünnt .
Während mit 400 Upm gerührt wird, erwärmt man den Papierstoffan- satz mit Hilfe einer Heizplatte auf 40° Celsius . Wird die Temperatur erreicht, so wird die zu testende Menge des jeweiligen Adsorbens mit Hilfe der Pasteurpipette zu dem Papierstoffansätz zugegeben. Die Reaktionszeit im Stoffansatz beträgt 30 Minuten bei 40° Celsius .
Danach wird der Papierstoffansatz mit dem Adsorbens auf 1 % Feststoffgehalt mit Hilfe von entionisiertem Wasser (400C) verdünnt .
Für die Siebwasserherstellung werden 1000 g Stoffansatz im Ent- wässerungs- und Retentionsgerät (Mütek DFS-03 der Firma Mütek) 420 Sekunden entwässert . Dieses Gerät simuliert im Labormaßstab den Papierfiltrationsprozess einer Papiermaschine . Dabei wurde mit einem Sieb mit einer Maschenweite von 170 μτa gearbeitet . Es wurde eine Scherrate (Rührfrequenz) von 700 Upm eingegeben.
Die Siebwässer wurden mittels Flow Cytometrie charakterisiert . Die Ergebnisse sind in Fig. 1 dargestellt .
Fig. 1 zeigt deutlich, dass der erfindungsgemäße, mit 5 % Polydadmac trocken belegte Bentonit wesentlich bessere Effekte aufweist als das Vergleichsmaterial gemäß der US 4 , 964 , 955. Dies belegt die positiven Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens . Zu beachten ist hierbei auch, dass die Vergleichsmaterialien frisch vor den Versuchen hergestellt wurden. In der Praxis -
wären noch schlechtere Ergebnisse zu erwarten, wenn z .B. ein nass belegtes Material lange gelagert wird.
Beispiel 5 : Belegung von säureaktivierten Bentoniten mit positiven Polyelektrolyten
Anstelle des Calciumbentonits gemäß der Beispiele 1 und 2 wurde hier ein mit Salzsäure aktivierter Bentonit (Opazil0, Süd-Chemie AG, Bentonit 2) eingesetzt, der wie aus der nachstehenden Tabelle 5 ersichtlich charakterisiert ist .
Tabelle 5 :
Die Modifikation mit Polyelektrolyt und die Vermahlung erfolgte wie in Beispiel 1 angegeben. Dabei wurden die aus der nachstehenden Tabelle 6 ersichtlichen Werte erhalten.
- -
Tabelle 6 :
Die BET-Oberflächen und die Teilchengrößenverteilungen, der Proben ergeben sich aus der nachstehenden Tabelle 7 :
Tabelle 7 :
Um die Eignung des erfindungsgemäß kationisierten, sauer aktivierten Bentonits zur Störstoffbindung in der Papierherstellung zu überprüfen, wurde der Bentonit gemäß Modifikation 2 wie in Beispiel 4 beschrieben in Filtrationsexperimenten eingesetzt . Die Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt . Wie daraus ersichtlich, eignet sich auch der sauer aktivierte Bentonit nach der erfindungsgemäßen Kationisierung hervorragend zur Störstoffreduktion im Siebwasser.
In einem weiteren Versuch wurden andere Holzschliff-Späne (nicht peroxid-gebleicht) als Quelle für die Störstoffe verwendet . Die Durchfuhrung erfolgte entsprechend wie vorstehend angegeben. Die Holzschliffspäne (Fasern) wurden aufgekocht und das Filtrat auf 2% Feststoff eingestellt . Die Adsorbenskonzentration lag bei 2% bezüglich der Faserkonzentration. Die positive Wirkung der erfindungsgemäßen Adsorbentien gegenüber nicht-modifiziertem Ben- tonit und dem Vergleichsmaterial gemäß der US 4 , 964 , 955 konnte auch anhand von Messungen des chemischen Sauerstoffbedarfs, des Kationenbedarfs und anhand von Trübungsmessungen bestätigt werden. Dies belegt weiter die Eignung der erfindungsgemäßen Adsorbentien zur Entfernung von Störstoffen in der Papierproduktion.
Beispiel 6 : Verwendung der erfindungsgemäßen kationisierten Bentonite zur An- bzw. Abreicherung von Biomolekülen
Um die Eignung der neuen Adsorbentien für eine Bindung von DNA zu testen, wurden ■Adsorptionsexperimente mit Heringssperma-DNA (Aldrich) durchgeführt .
Zur Konzentrationsbestimmung bei den Adsorptionsexperimenten wurde die DNA-Konzentration photometrisch bestimmt . Dabei wurde zur Messung eine Wellenlänge von 260 nm eingestellt . Zur Kalibration des Verfahrens mit dem eingesetzten DNA-Salz wurde eine Messung mit einer Konzentrationsreihe durchgeführt . Die erhaltene Kalibrationsgerade wurde zur photometrischen Bestimmung der DNA-Konzentration bei den Adsorptionsexperimenten eingesetzt . - -
Für die Adsorptionsexperimente wurde eine Heringssperma DNA- Lösung mit einer Konzentration von 1 mg/ml , 2 mg/ml, 5 , 63 mg/ml und 9, 9 mg/1 hergestellt und mittels 1OmM Tris/HCL und ImM EDTA auf pH 8 eingestellt . Anschließend wurden 0 , 1g. der Adsorbentien j eweils mit 5ml der DNA-Lösung versetzt und 1 Stunde bei Raumtemperatur geschüttelt . Anschließend wurde 15 min. mit 2500 rpm zentrifugiert und der Überstand wurde steril filtriert . Schließlich wurde die DNA-Konzentration im Überstand gemessen und daraus die Bindungskapazität für DNA berechnet . Die Ergebnisse- sind in der folgenden Tabelle 8 sowie in Fig. 3 zusammengestellt .
Tabelle 8 :
BK = Bindungskapazität -> umgerechnet in mg DNA bezogen auf 1 g der Adsoorrbbeennttiieenn
Eine graphische Darstellung der DNA-Bindungskapazitäten in Abhängigkeit von der DNA-Konzentration in der Lösung ist in Fig. 3 wiedergegeben.
Wie die Ergebnisse zeigen, bindet die Heringssperma-DNA sehr gut an beide erfindungsgemäßen Adsorbentien, die Bindungskapazität nimmt jedoch mit zunehmender Oberflächenbelegung mit positivem _
Polyelektrolyt (Polydadmac) zu. Das nicht belegte Adsorbens zeigt eine geringere Bindungskapazität . Auch mit den kationi- sierten Adsorbentien gemäß den Beispielen 1 bzw. 2 wurden sehr gute DNA- Bindungsergebnisse erhalten, die deutlich über diejenigen des Vergleichsadsorbens aus Beispiel 3 und den nachstehenden kommerziellen Adsorbentien lagen, j edoch etwas schlechter als die mit dem säureaktivierten und kationisierten Bentonit 2. Dies spricht für einen positiven Effekt der Säureaktivierung im Zusammenspiel mit der- erfindungsgemäßen Belegung mit kationischen Polyelektrolyten.
Um die gebundene DNA aus den Adsorbentien zurück zu gewinnen, wird mit 1, 5 molarer Natriumchloridlösung in 10 mM Tris HCl pH 8 , 5 1 Std. eluiert, 15 min. bei 2000 Upm zentrifugiert, der Überstand steril filtriert und die Adsorption gemessen. Dabei wurde gefunden, dass die gebundene DNA nahezu quantitativ aus den Adsorbentien wieder zurückgewonnen werden kann. Dies zeigt den potentiellen Einsatz der neuen Adsorbentien sowohl im Abtrennen als auch zum Aufreinigen von DNA.
Um die Bindungskapazität der erfindungsgemäßen Adsorbentien für DNA im Vergleich zum Stand der Technik einordnen zu können, wurden analoge Bindungsversuche mit einem schwach basischen Anio- nenaustauscher (Quiagen) und einem stark basischen Anionenaus- tauscher (Bio-Rad) durchgeführt . Der schwach basische Anionen- austauscher ist an seiner Oberfläche mit Diethylaminoethanol funktionalisiert . Die Matrix- besteht aus großporigen Silicat- teilchen mit einer Partikelgröße von 100 μm. und einer hydrophilen Oberfläche . Der Anionenaustauscher ist laut Hersteller speziell auf die Reinigung von Nukleinsäuren optimiert und erlaubt die Abtrennung von RNA, Proteinen, Zucker und anderen Verunreinigungen. Der stark- basische Anionenaustauscher. besteht aus einer Polymer-Matrix mit quartären (Trimethyl) Ammoniumgruppen auf der Oberfläche und Chlorid als Gegenion. Der durchschnittliche . Partikeldurchmesser beträgt 50μm, die nominale Porengröße
1000 Ä. Die Vergleichsergebnisse sind in der folgende Tabelle 9 aufgelistet .
Tabelle 9 :
Wie die Tabelle 9 zeigt, weisen die kommerziell erhältlichen Vergleichsadsorbentien. eine wesentlich geringere DNA Bindekapazität auf, wenn bei ähnlicher Konzentration in Lösungen gearbeitet wird, wie bei den erfindungsgemäßen Adsorbentien. Dies ist umso überraschender, als selbst nach 16 Std. für die Adsorption nur maximal etwa 1/3 der Bindekapazität des besten erfindungsgemäßen Adsorbens erreicht wird. Die Daten legen nahe, dass bei den erfindungsgemäßen Adsorbentien insbesondere für große Biomoleküle die Bindestellen wesentlich besser zugänglich sind, als für die untersuchten kommerziellen Vergleichsadsorbentien, die nach dem Stand der Technik hergestellt wurden. -
In einem weiteren Beispiel konnte die effektive Bindung von Protein (hier: Chymosin) an einen erfindungsgemäß mit 5%Polydadmac (bezogen auf Feststoff) belegten, zuvor mit Salzsäure aktivierten Bentonit in Granulatform (mittlere Teilchengröße 0 , 7 mm) nachgewiesen werden. Die Bindungskapazitäten und -kinetiken ü- bertrafen auch die bei Verwendung von Lewatit OC 1065 (Ionenausr- tauscherharz der Firma Bayer, DE) erhaltenen Werte .

Claims

-PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines kationisierten Schicht- silicats, umfassend die folgenden Schritte :
a) Bereitstellen eines trockenen teilchenförmigen Schichtsilicats,
b) Inkontaktbringen des trockenen teilchenförmigen Schichtsilicats mit mindestens einem kationischen Po- lyelektrolyt,
wobei das Inkontaktbringen gemäß Schritt b) durch eine trockene Vermahlung erfolgt und wobei keine Suspension des Schichtsilicats entsteht, sondern direkt ein trockenes kationisiertes Schichtsilicat erhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das trockene teilcheήförmige Schichtsilicat einen Wassergehalt, bestimmt bei 130 °C, von 25 Gew-% oder weniger, insbesondere 20 Gew. -% oder weniger, weiter bevorzugt zwischen 3 und 20 Gew. -%, insbesondere zwischen 6 und 15 Gew. -% aufweist .
3. Verfahren nach Anspruch- 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei es sich bei dem Schichtsilicat um ein natürliches oder synthetisches Schichtsilicat handelt, insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe der Bentonite, insbesondere der Natrium- , Calcium- oder Nat- rium/Calciumbentonite, Attapulgite, Hectorite, Nontroni- te, Saponite oder Glimmer. — —
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass es sich bei dem natürlichen oder synthetischen Schichtsilicat um ein smektitisches Schachtsilicathandelt, insbesondere ausgewählt aus Mont- morillonit, Hectorit, Nontronit und/oder Saponit .
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine kationische Po- lyelektrolyt in fester Form eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem smektitischen Schichtsilicat um einen Montmorillonit, insbesondere um einen Bentonit, besonders bevorzugt um einen Calciumben- tonit hande11.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem smektitischen Schichtsilicat um ein mit Säure aktiviertes Schichtsilicat handelt .
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilchenförmige smektitische Schichtsilicat eine mittlere Teilchengröße (D50) zwischen 0 , 1 und 30 μm, insbesondere zwischen 0 , 1 und 25 μm, vorzugsweise zwischen 0 , 5 und 15 μm, weiter bevorzugt zwischen 0 , 5 bis 10 μm aufweist .
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das smektitische Schichtsilicat eine BET-Oberfläche von mindestens 50 m2/g, insbesondere mindestens 100 m2/g, besonders bevorzugt von mindestens 130 m2/g, oder eine BET-Oberfläche zwischen 40 und 300 m2/g, insbesondere zwischen 50 und 200 m2/g aufweist .
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte smektitische Schichtsilicat ein Quellvermögen von 5 bis 50 τnl/2g, insbesondere von 8 bis 40 ml/2g aufweist .
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit oder anstelle des trockenen teilchenförmigen Schichtsilicats ein trockenes teilchenförmiges Substrat, ausgewählt ist aus der Gruppe der Kieselsäuren, insbesondere der gefällten Kieselsäuren, der Kieselgele, der Magnesiumsilicate, der Zeo- lithe , der Aluminiumoxide, insbesondere der porösen Aluminiumoxide, Titandioxid, Zirkonoxid, oder deren Gemischen, eingesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem kationischen PoIy- elektrolyt um ein kationisches Polymer, insbesondere ein wasserlösliches kationisches Polymer handelt .
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der mindestens eine kationische Po- lyelektrolyt ausgewählt ist aus der Gruppe von PoIy- (diallyl-dimethylammoniumchlorid) , abgekürzt Polydadmac , kationische Polyacrylamide, Polyethylenimine, kationi- sierte Stärken, kationisierte Cellulosen oder Mischungen aus zwei oder mehr der vorstehenden Verbindungen.
14. Verfahren nach- einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der mindestens eine kationische Po- lyelektrolyt Polydadmac umfasst .
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das teilchenförmige smektitische Schichtsilicat und der kationische Polyelektrolyt in einem Gewichtsverhältnis zwischen 99 , 5 : 0 , 5 und 80 : 20 ,
. insbesondere zwischen 90 : 10 und 98 : 2 in Kontakt gebracht werden.
16. Kationisiertes Schichtsilicat , erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche .
17. Verwendung des kationisierten Schichtsilicats gemäß Anspruch 16 bzw. erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15 zur Störstoffbindung in der Papierherstellung, oder zur Sorption, An- oder Abreicherung, Entfernung oder Gewinnung oder Auftrennung von mindestens einem Biomolekül aus einem flüssigen oder fluiden Medium.
18. Verwendung gemäß Anspruch 17 , wobei das Verfahren zur Störstoffbindung in der Papierherstellung die folgenden Schritte umfasst :
a) Bereitstellen eines kationisierten Schichtsilicats, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in trockener Teilchenform,
b) Zugabe des kationisierten Schichtsilicats gemäß a) zu einer Papierpulpe bzw. Faserstoffmasse;
c) Bindung der Störstoffe an das kationisierte Schicht- silicat in der Pulpe bzw. FaserstoffSuspension.
19. Verwendung nach einem der Ansprüche 17 oder 18 , dadurch gekennzeichnet, dass etwa zwischen 0, 2 und 20 kg des kationisierten Schichtsilicats pro Tonne Papierpulpe bzw. FaserstoffSuspension (Trockengewicht) , insbesondere zwischen 0 , 5 und 12 kg/t Pulpe, bzw. FaserstoffSuspension zugegeben werden.
20. Verwendung nach einem der Ansprüche 17 bis 19 , dadurch gekennzeichnet, dass die Papierpulpe bzw. Faserstoffsus- pension Holzschliffanteile enthält .
21. Verwendung nach einem der Ansprüche 17 bis 20 , dadurch gekennzeichnet, dass der Holzschliffanteil in der Papierpulpe bzw. der FaserSuspension mindestens 10 Gew. -%, insbesondere mindestens 30 Gew. -% bezogen auf die Gesamtpulpe bzw. FaserstoffSuspension (Trockengewicht) beträgt .
22. Verwendung nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz in einer Papierpulpe bzw. FaserstoffSuspension mit Holzschliffanteilen erfolgt .
23. Verwendung des kationisierten Schichtsilicats gemäß Anspruch 16 bzw. erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15 zur Sorption, An- oder Abreicherung, Entfernung oder Gewinnung oder Auftrennung von mindestens einem Biomolekül aus einem flüssigen oder fluiden Medium .
24. Verwendung gemäß Anspruch 23 , wobei das mindestens eine Biomolekül ausgewählt ist aus der Gruppe der Nukleinsäuren, Proteine, Polysaccharide und/oder Lipide sowie deren Bausteinen und j eweiligen Derivaten, insbesondere aus Oligo- und Polymeren auf der Grundlage von Nukleotiden, Aminosäuren und Kohlenhydraten.
25. Verwendung nach Anspruch 23 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem flüssigen oder fluiden Medium mit dem mindestens einen Biomolekül um eine kolloidale Lösung, Suspension, Dispersion, Lösung oder Emulsion handelt , insbesondere um ein wässriges oder alkoholisches Medium.
26. Verwendung nach einem der .Ansprüche 23 bis 25 , dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst : a) in Kontakt bringen des vorzugsweise wässrigen oder alkoholischen Mediums , das das mindestens eine Biomolekül enthält, mit dem Adsorbens bzw. Sorptionsmittel ,
b) Ermöglichen der Sorption des mindestens einen Biomoleküls an bzw. in das Adsorbens bzw. Sorptionsmittel ,
c) Abtrennen des an das Adsorbens bzw. Sorptionsmittel gebundenen Biomoleküls zusammen mit dem Adsorbens bzw. Sorptionsmittel aus dem vorzugsweise wässrigen oder alkoholischen Medium,
d) gegebenenfalls Abtrennung bzw. Desorption des mindestens einen Biomoleküls von dem Adsorbens bzw. Sorptions- mittel .
27. Verwendung nach einem der Ansprüche 23 bis 26 , dadurch gekennzeichnet , dass das Sorptionsmittel im wesentlichen aus dem mindestens einen Adsorbens besteht .
28. Verwendung nach einem der Ansprüche 23 bis 27 , dadurch gekennzeichnet , dass es sich bei dem wässrigen oder alkoholischen Medium um eine DNA- oder RNA-Lösung, ein Fermentationsmedium, einen Fermentationrückstand aus der Zellkultur, Brauchwasser oder ein Abwasser handelt .
29. Verwendung nach einem der Ansprüche 23 bis 28 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt das Sorptionsmittel zusammen mit dem Biomolekül entsorgt wird.
30. Verwendung nach einem der Ansprüche 23 bis 28 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt das mindestens eine Biomoleküls von dem Sorptionsmittel wieder desorbiert bzw. wieder gewonnen wird, wodurch das Sorptionsmittel gegebenenfalls erneut eingesetzt werden kann.
31. Verwendung nach Anspruch 30 , dadurch gekennzeichnet, dass die Desorption oder Wiedergewinnung des mindestens einen Biomoleküls in einer Hochsalz-Pufferlösung, vorzugsweise mit mehr als 1 M NaCl erfolgt .
32. Verwendung nach Anspruch 23 als anorganischer Vektor • zur Einbringung von Biomolekülen in Zellen, oder als pharmazeutische Zusammensetzung, insbesondere als Reservoir zur Speicherung und kontrollierten Freisetzung von Biomolekülen.
33. Verwendung nach Anspruch 23 zur Senkung oder Einstellung der Viskosität des Mediums..
34. Verwendung gemäß Anspruch 23 bei der Herstellung bzw. Aufreinigung von biotechnologisch hergestellten Stoffen und Wirkstoffen.
35. Verwendung nach einem der Ansprüche 23 bis 34 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsmittel teilchenförmig vorliegt und gegebenenfalls mit einem Bindemittel zu Teilchenaggregaten' oder Formkörpern verbunden oder auf einen Träger aufgebracht ist .
36. Verwendung gemäß Anspruch 35 , dadurch gekennzeichnet , dass es sich bei dem Bindemittel um Alginat, Agar-Agar, Chitosane, Pektine, Gelatinen, Lupinenproteinisolate o- der Gluten handelt .
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