JP2876240B2 - セルロース多孔質球状粒子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は菌体・酵素の固定化担体やイオン交換体や香
料・薬品等の吸着用担体などに好適なセルロース多孔質
球状粒子に関する。

〔従来の技術〕

セルロース粒子は菌体・酵素の固定化担体や香料・薬
品等の吸着用担体や化粧品添加剤などとして、又各種官
能基を導入して種々のイオン交換体として多くの分野で
広く使用されるようになっている。これらの用途には充
填層、撹拌タンクなどいずれの方法で使用する場合で
も、流動性に優れ、機械的強度のある球形が有利であ
る。又一般的に固定・吸着される菌体・酵素・薬剤の量
や導入できる官能基の数は粒子の表面及び内部の表面積
に比例する。従って粒子を多孔質にした方が有利であ
る。セルロース球状粒子及び多孔質球形粒子については
現在までに数多くの特許出願がなされている。例えば特
開昭48−60753号公報ではビスコースを液滴状に吐出し
凝固再生させて16〜170メッシュの多孔質セルロース粒
子を得る方法が開示されている。

特公昭57−7162号公報には見掛密度が0.4g/cm³以下で
16〜170メッシュのほぼ中央部に大きな空隙を有する中
空状セルロース微粒状物が開示されている。

特公昭57−45254号公報には、クロロベンゼン中でビ
スコース懸濁液を連続的に撹拌しながら加熱固化し、粒
径150〜350μｍの粒子が85容積％を占める粒子が得られ
ることが開示されている。

特公昭55−39565号公報には三酢酸セルロースの有機
溶媒溶液をゼラチンの如き分散剤の入った水性媒体中に
撹拌しながら滴下し、加熱固化し三酢酸セルロースの球
状粒子を作成し次いでこれをケン化してセルロース球状
粒子を製造する方法が開示されている。この方法で得ら
れる粒子の粒径は30〜500μｍである。

特開昭63−90501号公報にはビスコースと水溶性高分
子化合物の混合物をアニオン性の水溶性高分子化合物と
混合して微粒子分散液を生成せしめ、加熱又は凝固剤で
凝固し酸で再生させる方法が開示されている。この方法
に於いては凝固・再生・水洗の工程で水溶性高分子が除
去され、平均粒径が300μｍ以下で孔径0.02〜0.8μｍの
区間に孔容積の極大値を有し、同区間にある孔の全孔容
積が0.025ml/g以上である多孔性微少セルロース粒子を
得るものである。

しかしこれらの従来の粒子は全て小径の粒子（500μ
ｍ以下）に微細な孔（５μｍ以下）が多数あいている構
造のものである。

しかし乍らこのような小粒径で微細孔しか有しないも
のでは前記した用途に適用する場合には決して優れたも
のとは言い難い。

このために近時、できるだけ大径のしかも大きな空孔
を有するこの種セルロース粒子の開発がなされ、これに
ついてもいくつか特許が出願されており、例えば特開昭
64−43530号公報では、セルロース溶液の液滴を固化温
度以下に冷却・凍結させ、その後溶媒を除去して、２μ
ｍ以上の孔を多数有し、かつお互いに連通した連続孔構
造をもったセルロース多孔粒子の製造法が開示されてい
る。

特開昭60−155245号公報ではケン化すればセルロース
多孔質粒子となる、径0.05mm〜10mmの酢酸セルロース多
孔質球状粒子の製造法が開示されている。

又、大口径セルロース構造体としてはセルロースポン
ジが知られている。その孔径は数百μｍ以上でありこの
セルローススポンジをスライスして、キュービック状に
した大径の孔（数百μｍ以上）の連続孔構造をもったセ
ルロース多孔質体も知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明が解決しようとする課題は、この種セルロース
多孔質粒子であって、大径なしかも大きな空孔を多数有
し、しかもこれ等空孔が連通し、粒子自身かなりの機械
的強度を有するものを新たに開発することである。

元来セルロース多孔質粒子を担体やイオン交換体など
の用途に使用する場合、一般的に粒子内の表面積が大き
い程単位担体量の固定化量やイオン交換能は大きくな
り、所謂性能のよい粒子となる。しかし内部表面積が大
きくなるということは小径の孔が増えるということであ
り隔壁部が減ることでありその分強度が弱くなり撹拌操
作時などに減量することは避けられない。

又小径の孔が多くなると、乾燥時に孔構造が変化し、
再び水や薬品で膨潤させた場合に元の孔構造にもどら
ず、保水量や保有薬品量が減少し、所謂反応性が低下す
る。従って内部表面積がある程度大きく、かつ強度もあ
り復元性も良い大口径セルロース球状粒子が極めて好ま
しい。

本発明はこのようなセルロース粒子を開発することで
ある。

〔課題を解決するための手段〕

この課題は次の様なセルロース粒子を提供することに
より解決される。即ち、 （Ａ）セルロースから成り、 （Ｂ）水で膨潤させた時に径0.5mm以上の球状を呈し、
表面なだらかな凹凸があって亀裂乃至小孔が多数存在し
て全体として球状を呈し、 （Ｃ）（イ）内部は空孔及び隔壁から成っており、
（ロ）その中心側と表面側では空孔の大きさ及び構造が
異なり、（ハ）表面側は空孔が内部より表面に向かって
放射線状に多数存在し、（ニ）中心側は空孔がランダム
に大小とりまぜて混在し、（ホ）いずれの空孔も隔壁を
介して夫々独立して、或いは一部連通しており、（ヘ）
該空孔の大きさは該粒子の短径側のほぼ中央部断面に於
いて、表面側では開孔部の大部分が30μｍ以上の空孔が
占めており、中心側では100μｍ以上の空孔であり、
（ト）空孔はいずれもその形状は円柱状乃至円錐状であ
り、 （Ｄ）全体として部分的連続孔構造をなして多孔質であ
る ことを特徴とするセルロース多孔質球状粒子。

〔発明の作用並びに構成〕

本発明の粒子は、原則的には上記（Ａ）〜（Ｄ）の要
件を具備するものである。以下に図面を参照しつつ各項
目について説明する。

先ず本発明粒子はセルロースから成っている。セルロ
ースとしては従来から知られるものであり、いずれも従
来からセルロースとして知られるものがいずれも含ま
れ、場合によっては再生セルロースも含まれる。

本発明粒子の外観は水で膨潤させた時に径が0.5mm以
上の球状を呈す。但し球状とは真球状ばかりでなく、楕
円形状や粒状をも含む広い概念である。表面は被膜が形
成されている場合といない場合があり被膜の厚さは平均
して10μｍ以下好ましくは５μｍ以下である。被膜が形
成されている場合でもこの被膜は小さな孔や亀裂が存在
し多孔質となっている。被膜が形成されている場合でも
これが無い場合でも表面はなだらかな凹凸があって小さ
な孔や亀裂が多数存在している。

内部構造の基本は空孔と隔壁からなっており、且つ球
の中心側と表面側とは空孔の大きさ及び構造が異なって
いる。表面側は空孔が内部より表面に向かって放射線状
に延びて表面まで達しており、この領域の開孔部の大部
分が該粒子の短径側のほぼ中央部断面に於いて径が30μ
ｍ以上、150μｍ以下好ましくは60μｍ〜100μｍ程度で
ある。ほぼ中央部とは中心から±10％好ましくは±５％
の範囲をいう。表面側の孔構造の隔壁の厚みは一定しな
いが通常３〜30μｍ好ましくは５〜10μｍ程度の厚さで
ある。

中心側は空孔がランダムに大小とりまぜて存在し、こ
の領域の開孔部の大部分が上記中央部断面に於いて径が
100〜300μｍ好ましくは100〜200μｍである。中心側の
隔壁の厚さは一定しないが、通常10μｍ以上である。

中心側、表面側とも空孔は隔壁を貫通する小孔又は亀
裂により隣接する空孔の一部と連通しており、また空孔
の形状は通常円柱状乃至円錐状である。

本発明粒子は上記の様な構造を有するため全体として
多孔質となっている。

本発明粒子の物性としてはその機械的強度は８〜30％
である。但しこの機械的強度は、一定条件下で粒子を撹
拌してせん断力を与え、撹拌前後の重量から、せん断に
よって粒子から分離した部分を求め機械的強度の指標と
したものである。即ち、凍結乾燥粒子約2gを１ビーカ
ー内に入れ、2N−NaOH 500mlを投入する。7cmの回転羽
根をもった撹拌機で500r.p.m.の回転数で２時間撹拌す
る。系の温度は25℃に保っておく。撹拌後40メッシュの
ステンレス金属にて濾別して、大量の水で水洗し、その
後熱風乾燥させ、重量を測定する。

これから明らかな通り、重量減少が大きい粒子は強度
が弱く、重量減少が小さい粒子は強度が強いということ
にする。その他物性としては例えば、保水量は粒子の大
きさ、孔の構造により異なるが、粒子1g当たり5g〜15g
である。

本発明粒子は上記の如き基本構造を有しており、特に
大径であるため、流動性、作業性に優れている。また大
径の孔の連続孔構造のため物質移動が速やかで菌体固定
化や、吸着剤固定化やイオン交換反応などの速度が速く
効率が良い。又大径の孔構造のため、乾燥時に微細構造
が変化し再膨潤させた時に保水量や保有薬品量やイオン
交換量が著しく少なくなるという点が大幅に改善され
る。

又、内部に多数の空孔を有しているにも関わらず従来
品の如く小径の孔が多数存在するセルロース多孔質粒子
に比し一般的にイオン交換量や固定化量は若干少なくな
るが、強度は向上し反応時、培養時の撹拌などによる減
量が少なくなる。尚菌体の固定化量は表面積以外の要因
が大きく影響し内部表面積の大きいセルロース粒子より
も本発明の内部表面積を抑えた構造の方が固定化量も多
くて付着強度も強いという場合も多々有る。

以上の通り本発明のセルロース多孔質球状粒子は固定
化担体用として、またイオン交換体用などとして工業的
な大量使用が可能な条件を備えており、かつセルロース
であるため化学薬品に対して安定であり、毒性もないと
いう特性も備えているので医薬品や食品などの産業分野
で広範囲に使用することができる。

本発明のセルロース多孔質粒子を製造する方法自体は
何等限定されないが、その好ましい製法について以下に
説明する。

この製法は原則的にはビスコースと炭酸カルシウムを
混合し、該混合液を加圧しノズルより液滴状に押し出
し、凝固・再生浴上に落下させ、液滴状のままセルロー
スの凝固・再生と炭酸カルシウムの酸分解を同時に行
い、また必要に応じてその後脱硫、漂白、水洗、乾燥を
行う方法である。

この方法に於いては先ずビスコースと炭酸カルシウム
を混合し炭酸カルシウムを含有するビスコース液を作成
する。該溶液を加圧しノズルを通して液滴状に押し出
し、該液滴を凝固・再生浴上に落下させる。その後所定
時間撹拌することによって、各ビスコース条件及び凝固
・再生条件などに応じた内部空孔構造を持ったセルロー
ス多孔質粒子を製造する方法である。

使用するビスコースは例えば次のような性質を持つ。
セルロース濃度が３〜15重量％（以下wt％で表す）、好
ましくは4wt％〜10wt％である。塩化アンモニウム価は
３〜12好ましくは４〜９である。アルカリ濃度は苛性ソ
ーダとして２〜15wt％好ましくは５〜13wt％である。

ビスコースの粘度は20℃に於いて50センチポイズ〜1
0,000センチポイズ好ましくは100センチポイズ〜7,000
センチポイズである。

この際セルロース濃度、塩化アンモニウム価及びアル
カリ濃度が上記所定の範囲外となると、次のような望ま
しくない原因となる。即ちセルロース濃度が低い場合は
作成された粒子の機械的強度が小さくなり、高い場合は
液の粘度が上昇しノズルからの吐出が均一でなくなり不
揃いな粒子となる。塩化アンモニウム価が高い場合は作
成された粒子の形状がいびつになりかつ一定しない。又
低い場合は粒子表面の機械的強度が弱く撹拌中に表面が
砕けて小さくなってしまう。又アルカリ濃度が高い場合
も粒子形状がいびつになり易く、低い場合表面が撹拌中
に砕け易くなる。

使用する炭酸カルシウムは特に制限はなく、軽質炭酸
カルシウムでも重質炭酸カルシウムでも構わない。通常
混合のしやすさやノズル詰まりなどの作業性の観点より
平均粒径が１μｍ〜15μｍのものが使用される。この炭
酸カルシウムの平均粒子径によってセルロース多孔質粒
子の内部空孔構造が大きく影響されることはない。炭酸
カルシウムはビスコース中セルロース１重量部当たり0.
1〜10重量部好ましくは0.4〜７重量部用いられる。炭酸
カルシウムの量は粒子の基本的な内部空孔構造を変化さ
せず、孔の数特に30μｍ以下の細かい孔の生成に関与
し、炭酸カルシウムの量が増えれば孔の数も増えるとい
う関係にある。

ビスコースと炭酸カルシウムの混合は、撹拌機やニー
ダーによる撹拌で行い、撹拌中のビスコースへ炭酸カル
シウム粉末を直接加えても良いし、予め炭酸カルシウム
粉末を水に分散させておいてその分散液を加えても構わ
ない。

加圧はノズルからの吐出圧が変動しにくいものである
かぎりどのような方法でも構わないが、ギャーポンプに
よる加圧とエアー圧による加圧が工業的に有利である。
加圧の際の圧力は、ノズルより上記混合液を吐出できる
圧力でよい。

ノズルは口径が0.1mm以上であれば良く、材質、形状
に特に制限はない。口径が0.1mmより小さいとノズルが
詰まりやすくなり生産性が悪い。又口径が0.1mmより小
さいノズルで作成されるような小さい粒子は本発明の目
的とするところではない。

セルロースの凝固・再生と発泡剤である炭酸カルシウ
ムの酸分解を行う凝固・再生剤としては塩酸、リン酸、
炭酸、硫酸等の無機酸が使われるが塩酸が好ましい。凝
固・再生浴は１個ではなく複数個設置して直列に又は並
列に使用する方が生産性の観点から有利であるばかりで
なく、各凝固・再生浴の条件を変化させておけば、１個
の浴で作成したものとは異なる内部空孔構造を持った粒
子を製造可能である点からも有利である。凝固・再生浴
中酸の濃度は塩酸の場合で通常10g/〜90g/より好ま
しくは15g/〜70g/浴中の塩の濃度は塩化カルシウム
と塩化ナトリウムの場合で、２つの合計が０〜400g/
より好ましくは100〜200g/である。凝固・再生浴温は
通常10〜50℃であり、より好ましくは20〜40℃である。

本発明の製造法によればビスコースの塩化アンモニウ
ム価、凝固再生浴の酸の濃度と浴の温度及び塩の濃度な
どを調整することで各種の内部空孔構造を持ったセルロ
ース多孔質粒子が作成可能である。前記のように本発明
の製造法では通常ビスコースの塩化アンモニウム価３〜
12、凝固・再生浴中酸の濃度は塩酸の場合で10g/〜90
g/、浴温は10〜50℃、浴中塩濃度は塩の種類が塩化カ
ルシウムと塩化ナトリウムの場合で２つの合計で０〜40
0g/の条件でセルロース多孔質粒子を作成する。この
時セルロースの凝固・再生反応が早く進行する条件にて
セルロース粒子を作成した場合、つまり塩化アンモニウ
ム価の低い（所謂熟成が進んでいる）ビスコースと高酸
濃度で低塩濃度でかつ浴温が高い凝固・再生浴を組み合
わせて使った場合には、作成されるセルロース多孔質粒
子は球の中心側と表面側では構造が異なり、表面側は小
径の孔が多数内部から表面へ放射線状に延びた構造をし
ており、中心側は比較的大径の孔がランダムに大小とり
まぜて存在している構造のものが得られる。

この場合の製造条件としては通常ビスコース塩化アン
モニア価は４〜6.5、凝固・再生浴酸濃度は塩酸で50〜8
0g/、塩濃度は塩化ナトリウムと塩化カルシウムの合
計で０〜200g/である。このタイプの内部空孔構造を
持ったセルロース多孔質粒子の走査型電子顕微鏡写真を
第１図と第２図に示す。第１図は表面写真で第２図と第
３図は中央断面写真である。

〔実 施 例〕

以下実施例により本発明を詳述する。

実施例１ セルロース濃度9.0％、粘度4,500センチポイズ、塩化
アンモニウム価8.5、アルカリ濃度6.1％のビスコース40
0gと炭酸カルシウム（日東粉化工業（株） SS^♯30 平
均粒径7.4μｍ）37gを１ビーカーに入れて撹拌機にて
700r.p.m.で20分間撹拌を行い、炭酸カルシウムを含有
するビスコース液を作成した。その後チューブポンプ
（東京理化器械（株） ミクロチューブポンプ MP−
３）でビスコース液をビーカーより吸引、加圧し、口径
1.2mmの注射針が５本組み込んであり吐出口より5cc/分
の速度で液滴状に押し出し、凝固・再生浴とした５ビ
ーカー上に落とした。凝固・再生浴の塩酸濃度は25g/
、温度は25℃、塩濃度は塩化ナトリウムと塩化カルシ
ウムの合計で250g/であった。凝固・再生浴である５
ビーカー中に液滴が滴下し始めた時点から滴下終了ま
で約１時間かかり、その後２時間セルロースの凝固・再
生・炭酸カルシウムの酸分解を行った。凝固・再生浴は
絶えず撹拌を行って、均一に凝固・再生・酸分解がなさ
れるように注意した。

次いで大過剰の水で洗浄し、2g/の苛性ソーダと2g/
の硫化ソーダの入った脱硫浴にて70℃で１時間脱硫を
行った。その後大過剰の水で洗浄し、次いで2.6g/の
次亜塩素酸ソーダの入った漂白浴にて20℃、20分間漂白
を行い、再び大過剰の水で洗浄してセルロース多孔質粒
子を得た。得られた粒子の形状は水膨潤状態で平均粒子
径3.4mmの球状粒子であった。得られた粒子の走査型電
子顕微鏡写真を第１図と第２図、第３図に示す。第１図
は表面、第２図、第３図は中央部断面である。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図はいずれもセルロース多孔質粒子の粒子構造
を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（Ａ）セルロースから成り、 （Ｂ）水で膨潤させた時に径0.5mm以上の球状を呈し、
   表面なだらかな凹凸があって亀裂乃至小孔が多数存在し
   て全体として球状を呈し、 （Ｃ）（イ）内部は空孔及び隔壁から成っており、
   （ロ）その中心側と表面側では空孔の大きさ及び構造が
   異なり、（ハ）表面側は空孔が内部より表面に向かって
   放射線状に多数存在し、（ニ）中心側は空孔がランダム
   に大小とりまぜて混在し、（ホ）いずれの空孔も隔壁を
   介して夫々独立して、或いは一部連通しており、（ヘ）
   該空孔の大きさは該粒子の短径側のほぼ中央部断面に於
   いて、表面側では開孔部の大部分が30μｍ以上の空孔が
   占めており、中心側では100μｍ以上の空孔であり、
   （ト）表面側及び中心側いずれも空孔の形状は円柱状乃
   至円錐状であり、 （Ｄ）全体として部分的連続孔構造をなして多孔質であ
   る ことを特徴とするセルロース多孔質球状粒子。