KR900007661B1 - 신규한 다공성 압출형 생체담체물 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

신규한 다공성 압출형 생체담체물

본 발명은 다공성 생체담체물의 제조방법에 관한 것이며 더 구체적으로는, 효소, 세포등을 위한 생체담체로서 유용한 신규한 다공성 압출형 규조토 물질의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 조절된 다공성의 신규한 압출형 규조토 생체담체물에도 관련된다.

본 발명은 더 나아가서 그의 다공 구조내에 단백질, 세포등을 갖는 신규한 다공성 압출형 규조토 생체담체에 관련된다.

여과기 매체, 접촉재료, 촉매담체, 촉매지지체등으로 사용하기 위한 다공성 무기재료, 예를들면, 규조토, 유리, 실리카, 규회석, 산화알루미늄 및 탄화규소의 제조는 공지되어 있다. 예를들면, 미국특허 제2,686,161 ; 2,526,602 ; 4,253,990 ; 및 4,325,844호 참조.

이것들은 이들 재료가 분말, 펠릿 및 구형과 같은 각종 모양 및 형태로 만들어질 수 있음을 명시하고 있다.

미국특허 3,526,602 및 4,409,247은 또한 유리, 실리카, 알루미나, 규회석, 탄화규소 등이 원통형, 잘린원추형, 디스크형 윤상으로 형태화될 수 있음을 명시하고 있다.

효소, 미생물세포등의 다공성 규산질물질에의 부착 또는 고정화도 또한 본분야 숙련자에게 공지되어 있다. 예를들면, 미국특허 제3,666,627; 4,226,938; 4,409,247; 4,425,434; 및 4,581,338호 참조.

다공성 규산질물질은 전형적으로 먼저 규조암과 같은 규산질물질, 결합제, 용매 및 유기연소물질의 혼합물을 형성함으로써 만들어진다.

다음에 혼합물을 원하는 형태, 예를들면 가장 대표적으로는 분말, 펠릿, 또는 구형으로 형성하고 다음에 그것을 건조 및/또는 소성시킨다. 단백질, 세포등을 그 다음에 여러가지 공지의 어떤 방법 및 기술에 의해 다공성 기질에 부착시킬 수 있다.

이러한 다공성, 규산질물질이 어느 정도 시판수용됨이 발견되었으나, 그들의 용도는 그들의 최대평균 기공직경이 20미크론 또는 미만이라는 사실로 인하여 제한된다. 평균 기공직경의 이러한 제한은 담체에 부착될 수 있는 세포, 단백질 등의 수와 형태에 영향을 미친다. 예를들면, 담체의 평균 기공직경이 부분적으로 또는 전적으로 부적당하기 때문에 어떤 형태의 모든 미생물, 포유동물 및 식물세포를 부착시키기가 이제까지 편리하지 못했다.

다공성 담체는 적어도 부분적으로 모든 세포를 수용할 수 있을때에도, 이러한 담체/세포계의 사용에 있어서 몇가지 단점에 직면한다.

예를들면, 만일 기공직경이 너무낮고 따라서 세포들이 입장이 제한된다면, 불충분한 수의 세포가 고정화될 것이다. 게다가, 만일 기공내의 공간이 너무 작으면 세포로 산소 및 영양분의 흐름이 감소되는 결과가 될 것이다.

이것은 세포에 의해 생성된 원하는 생성물의 더 낮은 수율을 가져온다. 더우기, 담체수단의 외표면상의 더많은 수의 세포가 환경에 따라, 예를들면, pH 이동에 있어서 갑작스런 변화에 민감해 지는데 이것은 세포에 및 생화학적 변환을 수행하는 그들의 연속적 능력에 전면적인 해로운 영향을 준다.

최종적으로, 기공직경이 부적당할때 규산질물질에 대한 세포의 자연적 친화도 및 따라서 다공성 물질에의 자동부착 또는 고정화에 대한 그들의 경향은 크게 감소된다.

종래 생성담체의 도리어 작은 기공구조로 인한 상기 인용한 결점들과 달리, 유동화 베드와 같은 어떤 형태의 반응기에서 사용될 때 그들의 높은 마손때문에 생체담체와 관련하여 더욱 단점에 직면한다.

생체담체의 강도도 또한 중요한데 이것은 펠릿 및 구형이외의 복잡한 형태로 형성 및 유지되는 그들의 능력에 영향을 미치기 때문이다. 관, 시이트, 원추, 고리, 다각형등이 펠릿 및 구형의 사용에 결점이 있는 어떤 반응기설계에서 필요하게 될 수 있다.

예를들면, 컬럼 반응기 및 유동화 베드에서 어떤 규산질 담체는 약하고 압측성인 경향이 있고 따라서 예를들면, 역압의 조장을 가져오는 컬럼 사용시 충전의 어려움을 일으켰다.

더 나아가서, 펠릿 및 구형은 그들의 크기 및 형태때문에 이용할 때 매우 밀접하게 함께 충전되는 경향이 있어 이로써 반응기 컬럼 또는 베드를 통해 영양분 및 반응매체의 흐름에 직면한다.

따라서 필요한 것은 더 쉽게 효소, 모든 세포 등을 수용할 수 있고 현존하는 규산질 생체담체보다 더 강하며, 더 내마손성인 다공성 생체담체이다. 발명의 간단한 요약은 다음과 같다.

발명의 한 구체예에서, 출원인은 20미크론 또는 그 이상의 평균 기공직경을 갖고 이제까지 유용한 지지체 및 생체담체보다 더 내마모성이고 더 강한 다공성, 압출형 생체담체 물질을 제조하는 경제적이고 실시용이한 방법을 발견하였다.

간단히, 출원인의 본 발명 방법은 먼저 규조암 입자가 적어도 약 5미크론의 평균 기공직경과 적어도 약10미크론의 입도를 갖는 20-70중량%의 소성 또는 플럭스 소성된 규조암(또는 기타) ; 5-30중량%의 무기결합제 ; 0-30중량%의 유기 연소물질 ; 1-15중량%의 유기 중합체 가공보조제 ; 및 20-50중량% 용매의 압출가능 혼합물을 형성하는 것으로 이루어진다.

다음에 결과 혼합물을 압출하여 원하는 형태의 압출물을 형성한 다음 이것을 건조 또는 소성시킨다. 일정한 기공직경과 입도의 규조암 입자로 출발하여, 출원인은 본 발명 방법이 조절된 기공도의 압출형 생체담체의 제조를 쉽게 허용함을 발견하였다.

또다른 구조예에서, 출원인은 20미크론 또는 이상의 평균 기공직경을 갖는 조절된 기공도의 압출형 규조토 생체물질을 제공한다.

본 발명 물질은 현재 구입가능한 규조토 생체담체 물질보다 더 내마모성이고 더 강하며 또한 종래의 생체담체의 평균 기공직경보다 상당히 더 큰 20미크론 또는 그 이상의 평균 기공직경을 갖는다.

후자의 사실은 본 발명 생체담체가 덜 다공성의 생체담체 물질이 직면하는 진술한 어려움 없이 단백질, 모든 세포, 등을 수용할 수 있는 것이기 때문에 특히 중요하다.

본 발명의 더 이상의 구체예에서, 생체담체의 기공구조에 함유된 단백질, 세포등을 갖는 압출형 규조토 생체담체가 제공된다. 생체담체의 평균 기공구조는 적어도 20미크론 또는 그 이상이다.

비교적 큰 기공구조의 생체담체이기 때문에, 생체담체에 부착된 단백질/세포의 생물학적 계는 종래의 생체담체에 직면한 어려움이 극복되기 때문에 매우 효율적일 것이다.

예를들면, 더 큰 기공구조는 생화학적 변환 생성물의 주위환경으로의 증가된 확산을 조장할 뿐 아니라 기공내에 부착된 세포에 산소 및 필수 영양분과, 생체담체의 기공구조내의 세포에 의해 발생된 다른 여분의 세포성 물질의 더 큰 확산을 허용할 것이다.

더우기, 더 큰 내부 기공구조를 가전 개선된 본 발명 생체담체이기 때문에, 단백질, 세포등의 더 큰 내부집단 또는 적재가 가능하다.

이것은 부착된 세포등이 주위환경, 예를들면 pH에 갑작스런 이동을 덜 받게될 것이다. 최종적으로, 생체담체내의 기공구조의 벽에 세포의 더 용이한 "자연적" 또는 자동부착을 허용한다.

본 발명의 다른 특징 및 관점과 또한 이점은 다음의 발명의 더 상세한 설명에서 더 분명할 것이다. 발명의 상세한 설명은 다음과 같다.

본 발명 방법은 표시한 일반적이고 바람직한 수준(중량%, 압출가능 혼합물의 총중량 기준)에서 다음 성분들의 압출가능 혼합물을 먼저 형성하는 것으로 이루어진다.

규조암은 규조류라고 불리는 단세포 수생식물의 골격 잔유물로 구성된 백악질 침전물이다. 많은 현대의 규조암 광상은 얕은 물에서 수년 전에 침전에 의해 저장되었던 것이다.

그뒤 지질학적 융기가 이들 지층을 그들이 종래의 방법으로 채굴될 수 있는 위치로 상승시켰다. 광상은 세계의 많은 지역에서 발견되었는데, 가장 크고 순수한 광상중의 하나는 중부 캘리포니아 해안에 위치되어있다.

다른 소재지로는, 규조암 침전물이 발생했고, 또는 현재 일어나고 있는 현존하는 얕은 수역들이 있다. 이러한 광상은 현재 준설기로 채굴되고 있다. 전형적인 건조 규조암 분석을 아래 표 1에 나타낸다.

[표 1]

주 : (a) 무정형이 지배적임.

소성된 규조암은 채굴, 건조, 과립화 및 약 1600℉ 내지 2400℉ 범위의 온도에서 작동되는 킬른을 통과시키는 규조암이다.

소성은 규조암 입자를 수축 및 경화를 일으키고 어느 정도는 큰 집괴로 자체 응집을 일으킨다. 플럭스 소성된 규조암은 플럭스를 규조암에 첨가함으로써 제조된다.

플럭스는 물 분무 또는 혼합수에 용해된 용액으로서 첨가될 수 있다. 또 다르게는, 건조 플럭스분말은 규조암의 공수의 동안에 아니면 텀블러와 같은 종래의 건조혼합 장치에서 플럭스와 규조암의 건조혼합에 의해 규조암 입자의 덩어리에 함입될 수 있다.

보통 건조규조암의 중량을 기준으로 약 3 내지 약 10중량 퍼센트 플럭스가 될 것이다. 전형적인 플럭스는 탄산나트륨 ("소다회"), 염화나트륨, 수산화나트륨, 및 규산나트륨과 같은 알칼리금속염 을 포함한다.

어떤 소성 또는 플럭스-소성된 규조암이 본 발명에 사용되든지 약 5미크론 보다 더 큰, 바람직하게는 약10미크론보다 더 큰 평균 기공직경을 가져야한다. 입도는 적어도 약 10미크론, 바람직하게는 적어도 약 25미크론이어야 한다.

본 발명의 또다른 성분은 무기결합제이다.

일반적으로 어떤 시중 구입되는 무기결합제도 본 발명에 사용될 수 있다. 물론, 혼합물 성분, 특히 규조암과 결합하는 필수 강도를 가져야 한다.

본 발명에서 사용될 수 있는 무기결합제의 한 부류는 점토이다. 예로는 카올린 점토 및 벤토나이트 점토를 포함한다. 때때로 백토 또는 고령토라 불리는 카올린 점토는 백연소 점토인데, 그들의 큰순도로 인해 고융점을 갖는다. 카올린 점토는 또한 모든 점토중 가장 내화성이다.

벤토나이트 점토는 몬모릴로나이트 점토의 형태이다. 벤토나이트 점토는 보통, 상당한 부분의 산화나트륨, 나트륨, 마그네슘 및 칼슘을 함유하는 수화 규산 알루미나 이다.

사용될 수 있는 또다른 부류의 무기결합제는 1가 규산염이다. 1가 규산염의 예들은 규산나트륨 및 규산칼륨을 포함하나 여기에 제한되지 않으며 규산나트륨이 바람직하다. 무기결합제의 또다른 부류는 과량의 알칼리금속산화물로 실리카를 사전플럭스시키고 그것을 분말형태로 갊으로써 만든 유리질 프릿트이다.

이용될 수 있는 다른 무기결합제는 인산알루미늄과, 콜로이드상 실리카, 콜로이드상 알루미나, 및 콜로이드상 지르코니아를 포함하는 콜로이드 현탁액과 같은 인산 기제 결합제를 포함한다.

상기 무기결합제의 알맞은 조합이 이용될 수 있다. 그러나, 프릿트 및 점토 기제 결합제 시스템이 현재 바람직하다. 본 발명에 사용하는 적합한, 유기 연소물질은 전분, 셀룰로오스 섬유. 옥수수가루, 및 분말탄소를 포함하나 여기에 제한되지 않는다.

셀룰로오스 섬유의 예들은 크라프트섬유, 목섬유, 옥수수 속가루 및 밀짚섬유를 포함한다. 짧은 섬유길이가 혼합 및 압출 용이성에 바람직하다. 여기서 이용된 유기중합체 가공보조제는 혼합물에 압출가능 밀도를 부여하는 것이다.

이러한 가공보조제의 전형적인 것은 셀룰로오스에테르, 예를들면 카르복시메틸 셀룰로오스이다. 어떤 시중 구입되는 용매도 본 발명에 사용될 수 있는데 이것은 혼합물의 고형성분을 용해시킬 것이다. 이들 용매는 본질상 유기 또는 수성이나 수성용매가 현재 바람직하다.

적합한 유기용매의 예들은 등유, 디젤연료, 알코올, 및 용융된 왁스를 포함하나 이들에 제한되지 않는다.

고형물, 가공보조제 및 용매의 혼합물을 압출 공급물로 형성한 후, 다이를 통해 종래의 압출장치에서 압출시켜 형태화된 형태의 압출물을 형성하거나 또는 이로부터 개개의 펠릿이 분리될 수 있다.

가장 일반적으로 압출물은 환상, 타원형, 또는 사각형 단면의 긴 막대형 물질이다. 펠릿에 환상단면이 후속 취급시 마손을 최소화하는데에 바람직하나 압출된 단면은 폭 또는 직경이 0.06 내지 몇 인치가 될 수있다.

펠릿이 압출된 막대로 만들어지는 때는 모든 차원에서 대략 같은 크기를 갖는 일반적으로 원통형 또는 입방형 펠릿이 형성되도록 막대의 직경 또는 폭에 대략 같은 간격으로 보통 절단된다.

와이어나이프 같은 종래의 절단장치가 사용될 수 있다. 후속 텀블링 방법이 막대형 압출물로부터 구형을 제조하는데 사용될 수 있다. 생체담체용으로 형성되는 형태는 원추형, 관, 원통형, 디스크형, 고리형, 평시이트, 다각형 및 별모양 물질을 포함하나 여기에 제한되지 않는다.

원하는 압출된 형태가 형성된 후, 그들은 연속밸트 건조기 또는 온도와 습도가 조절된 방과 같은 종래의 건조장치에서 건조시킨다. 건조시간 및 온도는 압출된 형태의 성질에 따라 다양할 것이다.

바람직하게는, 건조온도는 약 70°내지 400℉, 가장 바람직하게는 약 200°내지 300℉의 범위가 될 것이다. 바람직하게는 건조시간은 펠릿에 대해 약 10 내지 30분, 가장 바람직하게는 약 15 내지 20분이 되고 더 큰 압출물에 대해서는 약 2 내지 24시간, 가장 바람직하게는 약 5 내지 10시간이 될 것이다.

소성시킬 때, 건조와 같이 조건은 압출된 형태에 따라 다양할 것이다. 바람직하게는, 압출물이 약 1600°내지 2100℉ 범위온도에서 약 10 내지 40분간, 가장 바람직하게는 약 1700°내지 1900℉에서 20 내지 30분간 셔틀 또는 회전 노와 같은 소성장치에서 소성 또는 연소시킨다.

연소온도에서 소성시간은 보통 펠릿에 대해 약 30분 및 더 큰 압출물에 대해 약 1시간의 오다에서 적어도 약 10분 및 그 이상이 될 것이다. 산소함유 분위기에서 소성은 유기연소물질이 존재한다면 모두 압출물 밖으로 연소되어 나가 고도의 다공성 규조암과 무기결합제의 복합물을 남긴다.

결과된 다공성 압출형 규조토 생체담체는 일반적으로 약 20미크론 또는 그 이상의 평균 기공직경을 갖게될 것이다. 바람직하게는, 평균 기공직경은 약 20-50미크론 및 가장 바람직하게는 약 25-35미크론의 범위가 될 것이다.

여기서 일찌기 명시한 바와같이, 본 발명 생체담체는 특정한 공학적 반응기설계에 맞는 각종 다른 형태, 예를들면, 빈 관, 디스크, 원추형, 고리, 윤상, 평시이트, 다각형 및 별모양으로 압출될 수 있다.

따라서, 본 발명 실시자는 규조토 담체의 원하는 형태 및 평균 기공직경에 도달하는데 큰 융통성을 갖는다. 각종 세포 및 생물학적 활성물질이 본 발명 생체담체물의 기공에 부착되거나 또는 고정화될 수 있다.

여기서 사용된 "생물학적 활성물질"이라는 용어는 단백질 물질(예를들면 효소)을 포함하고 그 자체가 생물학적으로 활성인 물질과 그 자체는 활성이 아니나 그들을 생물학적으로 활성이 되게하는 고정화후 활성화될 수 있는 것들을 포함한다.

후자의 경우에, 생물학적 활성물질은 그것을 비활성화하는 억제제로 처리할 수 있고 다음에 고정화후 재활성화 시킬 수 있다.

여기서 사용된 바와같이, "단백질성 물질"이라는 용어는 단백질 자체와 단백질 성분을 갖는 물질(예를들면 아밀로글루코시다제와 같은 당단백질 및 지단백질)을 의미한다.

또한, "생물학적 활성물질"은 그중에서도 특히 특정 상호작용에 참가할 수 있는 물질, 즉 예를들면, 생물학적 기원의 물질 및 생체유기체에서 작용하는 것들을 포함하는 이러한 물질들을 포함함을 이해하여야 한다.

천연발생 물질로 일어날 수 있는 것들과 유사한 특수 상호작용을 수반하는 반응에 첨가할 수 있는 합성기원의 물질도 또한 "생물학적 활성물질"이라는 용어내에 포함된다.

세포들도 또한 발명담체에 기공내에 부착/고정화될 수 있다. 여기서 사용한 바와같이, 세포라는 용어는 미생물, 포유동물 및 식물세포를 포함하나 여기에 제한되지 않는다.

본 발명 생체담체에 부착/고정화될 수 있는 세포의 무제한적 예들은 세균, 효모, 진균류, 해조류, 췌장세포 및 림프구를 포함한다.

생물학적 활성물질 및 세포는 본 분야 숙련자에게 공지된 어떤 방법에 의해서도 본 발명 생체담체의 기공내에 부착 또는 고정화될 수 있다.

예를들면, 공지의 짝지음제 또는 가교제를 사용할 수 있다. 또 다르게는, 세포벽과 제조된 생체담체간에 자연인력이 있을 수 있기 때문에 생체담체를 고정화되어야 할 세포의 수성현탁액과 단순히 접촉시킴으로써 때때로 세포를 고정화시킬 수 있다.

다음의 무제한적 실시예는 종래의 생체담체에 대한 본 발명 생체담체로 유용한 기공조절 및 더 큰 기공직경을 예시한다.

실시예

일련의 본 발명 아닌것과 본 발명의 생체담체 물질을 다음 처방에 따라 만들었다. 그들의 결과 특성을 또한 제공한다. 모든 처방은 중량부로 제공되었다.

전술한 데이타는 본 발명 생체담체(3 및 4)가 본 발명 아닌 생체담체(1 및 2)보다 상당히 더 큰 평균 기공직경을 가짐을 분명히 나타낸다.

본 발명 생체담체(3 및 4)는 또한 1 및 2보다 더 높은 경도 값을 갖는다.

그러므로, 본 발명 생체담체는 종래의 본 발명 아닌 생체담체와 비교하여 그들의 용도에 있어서 훨씬 더 내구적인 뿐 아니라 광범위한 생물학적 활성물질 및 세포를 수용할 수 있을 것이다.

특허청구의 범위에 명시된 바와같은 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어남이 없이 전술한 명세서로부터 합리적인 수정과 변경이 가능하다.

Claims (10)

1. 약 20미크론 이상의 평균 기공직경을 갖는 압출형 생체담체 물질의 제조방법에 있어서, (a)(i) 규조암 입자가 적어도 약 5미크론의 평균 기공직경과 적어도 약 10미크론의 입도를 갖는 소성 또는 플럭스 소성된 규조암20-70중량%, (ii)5-30중량%무기결합제, (ⅲ)0-30중량%유기연소물질,(ⅳ)1-15중량%유기중합체 가공보조제 및 (v) 20-50중량% 용매로 이루어지는 압출가능 혼합물을 형성하는 단계, (b) 혼합물을 압출하여 원하는 형태의 압출물을 형성하는 단계,(c) 상기 압출물을 건조 또는 소성시키는 단계들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 압출가능 혼합물은 (i) 규조암 입자가 적어도 약 10미크론의 평균 기공직경과 적어도 약 25미크론의 입도를 갖는 소성 또는 플럭스 소성된 규조암 30-45중량%, (ⅱ) 5-10중량% 무기결합제, (ⅲ) 0-20중량% 유기연소물질, (ⅳ) 3-8중량% 유기중합체 가공보조제, 및 (v) 30-40중량 용매로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 압출형은 빈 관인 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 압출형은 별인 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 적어도 약 20미크론의 평균 기공직경을 갖는 생물학적 활성물질 및 세포용 압출형 규조토 생체담체.
6. 제1항의 방법으로 만든 적어도 20미크론의 평균 기공직경을 갖는 생물학적 활성물질 및 세포용 압출형 규조토 생체담체.
7. 제6항에 있어서, 빈관의 형태인 것을 특징으로 하는 생체담체.
8. 제6항에 있어서, 별의 형태인 것을 특징으로 하는 생체담체.
9. 적어도 약 20미크론의 기공직경을 갖고 생물학적 활성물질과 세포로 구성되는 군으로부터 적어도 한가지 선택된 물질을 기공내에 함유하는 압출형, 규조토 생체담체.
10. 제9항에 있어서, 펠릿, 구형, 빈 관 또는 별의 형태인 것을 특징으로 하는 생체담체.