SE432113B - Forfarande for framstellning av fibrer med poros struktur - Google Patents

Description

77174702-3 De pa detta sätt framställda porösa fibrerna har en effektiv ytarea, som är mycket större än för tidigare kända fibrer. Fibrerna kan innehålla funktionella grupper av vilket som helst kemiskt slag, varvid detta är beroende av den polymer som används för tillverkning av fibrerna. De funktionella grupper som finnes kan redan vara anpassade till den avsedda användningen för fibrerna eller ocksa kan de funktionella grupperna modi- fieras genom efterföljande kemiska reaktioner, sa att önskade reaktiva grupper erhålles.

De mekaniska egenskaperna hos de enligt uppfinningen framställ- da fibrerna är beroende av den använda polymeren och förhållandena vid spinningen. Dessa egenskaper kan varieras inom vissa gränser. För ett givet polymermaterial kan ocksa de förhållanden, under vilka de porösa fibrerna framställes, varieras inom vida gränser. För varje uppsättning av sadana betingelser erhålles en viss effektiv ytarea och en viss uppsättning mekaniska egenskaper hos de framställda fibrerna. Fibrerna kan således lätt anpassas till den avsedda användningen. Naturligtvis är de mekaniska egenskaperna hos porösa fibrer, framställda enligt föreliggandeuuppfinning, ej jämförbara med de mekaniska egenskaper som erfordras hos fibrer för textil användning.

Fibrer framställda enligt uppfinningen kan användas för ett flertal olika ändamål. Da de exempelvis användes som bärande struktur för kemiska reagens, för jonbytargrupper och för kelateringsgrupper, erbjuder de ett större antal funktionella grupper än konventionella reaktiva fibrer. Fibrerna enligt uppfinningen kan användas för framställning av material, som kan extrahera individuella ämnen fràn blandningar, som innehåller manga olika komponenter. i Fibrer framställda enligt uppfinningen kan ocksa användas som bärande struktur för bindning av lösliga katalysatorer, i synnerhet om dessa är ensymer. I det senare fallet erhålles "bundna" katalysatorer, som uppvisar en mycket koncentrerad aktivitet och en hög katalytisk verkningsgrad, även pa substrat med en hög molekylvikt.

Vidare kan fibrer framställda enligt uppfinningen användas som molekylsilar.

I det följande skall uppfinningen ytterligare illustreras medelst nagra utföringsexempel pa framställning och användning av porösa fibrer enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 40 7714702-3 Exempel l Framställning av porösa fibrer baserade på cellulosatriacetat I en tvâhalsad flaska med en volym av l l och försedd med me- kanisk omrörare löstes 50 g cellulosatriacetat (en kommersiell pro- dukt från firman Montefibre, Pallanza, Italien) i 664 g metylen- klorid. Till denna lösning sattes långsamt 200 g glycerol och hela massan omrördes under 15 minuter vid 800 r/min. Den så erhållna homo- geniserade blandningen kyldes till OOC och hälldes i en behållare försedd med ett spinnmunstycke med 500 hål med en diameter av 125 um.

Massan spanns, genom att den utsattes för ett kvävgastryck av 1 atm, och fibrerna uppsamlades på en rulle efter koagulering i ett toluen- bad vid 20°C. Koaguleringsbadet hade en längd av ca 80 cm. De så er- hållna fibrerna torkades i en torr luftström vid rumstemperatur under 2 timmar och lagrades därefter i en sluten behållare.

Fibrerna hade följande sammansättning,;i vilkt räknat: cellulosatriacetat 18 %, glycerol 70 %, återstoden dvs. 12 % spinn- lösningsmedel. Förhållandet mellan glycerolšoch polymer var 70:18 = 3,86, medan detta förhållande var 4,00 i den för spinning färdiga blandningen. Tillnärmelsevis all den glycerol som fanns i spinnlös- ningen från början, inneslöts således i den¿koagulerade polymer- matrisen, varigenom fiberstrukturen blev porös., De framställda fibrerna kunde befrias från glycerol helt enkelt genom tvättning i vatten. Sedan fibrerna helt befriats från glycerol och spinnlösningsmedlen, hade fibrerna en skenbar specifik vikt av 0,253 + 0,005 g per lineär meter, såsom mätt på det i Exempel 8 beskrivna sättet.

Exempel 2 Framställning av porösa fibrer baserade på poly-L-gamma-metylglutamat I en tvåhalsad flaska med volymen l l och försedd med mekanisk omrörare hälldes 290 g av PLG-30 (tillverkat av Kyowa-Hakko Kogyo Co Ltd..Tokyo, Japan), som är en lösning med en vikt/volymkoncentration av poly-L-gamma-metylglutamat med en molekylvikt av 100000-300000 i 1,2-dikloretan (symmetrisk). Under långsam omrörning tillsattes först 145 g 1,2-dikloretan (symmetrisk) och därefter 50 g av en 50 vikt- pflxæntiglösning av glycerol i vatten. Den slutliga lösningen innehöll sålunda: 23 g poly-L-gamma-metylglutamat 412 g symmetrisk 1,2-dikloretan 28 g vatten I I 28 g glycerol l0 15 20 25 30 35 77142702-3 Blandningen kyldes till 0°C och emulgerades genom omrörning under 30 minuter med 800 r/min, varefter blandningen hälldes i en behållare, som dessförinnan kylts till -6°C och som var försedd med ett spinnmunstycke med 48 hål med en diameter av 80 um. Blandningen spanns, genom att den utsattes för ett kvävgastryck av 0,8 atm.

Fibrerna uppsamlades på en rulle efter koagulering i ett bad av petroleumeter som hölls vid 40-70°C. De koagulerade fibrerna kyldes slutligen till -3°C. De erhållna fibrerna torkades i en luftström vid rumstemperatur under en timme och lagrades därefter i en sluten behållare. Fibrerna hade följande sammansättning, i vikt räknat: 25,5 % poly-L-gamma-metylglutamat, 26,0 % H20; 26,0 % glycerol; 22,5 % spinnlösningsmedel. Förhållandet mellan den dispersa fasen (vatten och glycerol) och polymer i fibrerna var sålunda (26 + 26): 25,5 = 2,04, medan samma förhållande i den för spinning klara bland- ningen var 56:23 = 2,43. -z r i ». 1 Exemgel 3 Framställning av porösa fibrer baserade på polyvinylklorid I en tvåhalsad flaska med volymen 1 l och försedd med mekanisk: omrörare hälldes 47,5 g_av Solvik-523 K (tillverkat av Solvik, Via Filippo Turati 8, Milano, Italien), somíär en sampolymer av vinyl klorid_och vinylacetat innehållande 12 viktprocent vinylacetat, tillsammans med 452,5 g metylenklorid. Denna blandning omrördes, tills sampolymeren var helt löst, varefter 95 g glyceroI'tillsattes långsamt under omrörning. Blandningen kyldes till lO°C och emulgera- des genom omrörning under 15 minuter vid 800 r/min. Den så erhållna massan hälldes i en behållare, som hölls vid l0°C och som var för- sedd med ett spinnmunstycke med l00 hål med en diameter av 80 um.

Spinningen genomfördes med användning av ett tryck av 0,6 atm och fibrerna uppsamlades på en rulle efter koagulering i ett bad av n-hexan, som hölls vid 20°C. De så erhållna fibrerna torkades i en torr luftström under två timmar och lagrades i en sluten behållare.

Fibrerna hade följande sammansättning, i vikt räknat: 29,5 % sam- polymer Solvik-523 K; 57,9 % glycerol; 12,6 % spinnlösningsmedel. Även i detta fall hade varje gram av koagulerad polymermatris hållit kvar l,96 g glycerol, som var finfördelat i polymermatrisen, så att denna var porös. 10 15 20 25 30 35 40 7714702-3 Exempel 4 Användning av porösa fibrer av cellulosatriacetat som ett substrat för kemisk immobilisering av proteiner Följande tre typer av fibrer undersöktes: A) En porös fiber som erhölls genom att man på det i Exempel 1 beskrivna sättet spann 50 g cellulosatriacetat löst i 664 g metylen- klorid och 200 g glycerol som den dispersa fasen till 500 enfiber~ trådar, vardera med 3,7 denier.

B) En porös fiber framställd på samma sätt som fibern enligt A) men med användning av 100 g glycerol som den dispersa fasen. Även i detta fall framställdes 500 enfibertrådar vardera med 3,7 denier.

C) En icke porös fiber framställd på samma sätt som fibern enligt A) och B) men utan användning av någon dispers fas. Även i detta fall framställdes 500 enfibertrâdar vardera med 3,9 denier.

De ovan angivna denier-värdena är medelvärden erhållna från 10 avläsningar utförda på följande sätt: Ett prov om 500 enfiber- trådar med en längd av 100 cm utsattes för Sítvättningar i destille- rat vatten, varvid man för varje tvättning använde 50 ml vatten och en kontakttid av 10 min. Tvättningen genomfördes under omrörning vid rumstemperatur. Efter tvättningen torkades provet i en ugn vid 70°C och ett tryck av 0,1 mm Hg under 8 timmar, varefter provet vägdes.

Från den så erhållna torrvikten för hela provet bestämdes denier- värdet för varje individuell enfibertråd, genom att den“erhållna torrvikten i gram multiplicerades med 9000:500.

Från varje fiber togs ett prov på sådant sätt att det innehöll lika stor mängd, dvs. 1,78 g, cellulosatriacetat, och sålunda togs exakt 9,89 g av fibern A), 5.78 g av fibern B) och 1,85 g av fibern C). Varje prov infördes i en Erlenmeyer-flaska med volymen 300 ml och tvättades fem gånger med destillerat vatten, varje gång med 200 ml vatten, och behandlades därefter under fyra timmar under långsam omrörning och vid rumstemperatur med 200 ml av en 0,5 M vattenlösning av natriumhydroxid. Denna behandling omvandlar den ursprungliga polymeren till cellulosa och är sådan, att den åtmin- stone delvis bibehåller fíberns ursprungliga struktur, såsom framgår av de i det fölfande beskrivna resultaten. Efter hydrolyseringen tvättades varje prov med vatten, tills det blev neutralt, och be- handlades vid rumstemperatur under långsam omrörning och under 20 timmar med 165 ml av en vattenlösning av 0,05 M fosfatbuffert, pH = 8,0, innehållande 0,285 g bensokinon (denna behandling aktiverar fibern och gör den ägnad att kemiskt binda protein enligt den metod lO 15 20 25 30 35 77í41u2-s 6 som finnes beskriven i den svenska patentansökningen 7604136-7).

Efter denna behandling tvättades varje fiberprov växelvis med vatten och med en 0,05 M fosfatbuffert med pH = 8,0, tills tvätt- vatten ej längre innehöll något ämne med absorptionsförmåga vid 250 nm. Därefter underkastades fiberproven ett prov med avseende på bindning av tripsin. Varje fiberprov bringades i kontakt med 47 ml av en 0,05 M fosfatbuffert, pH = 8,0, som var nedkyld till 2°C och som innehöll 47 mg tripsin med en specifik aktivitet av 30 BAEE-enheter per mg (en enzymisk BAEE-enhet är den mängd enzym som hydrolyserar en pmol per minut av N-alfa-benzoy1-L-argininmetylester vid ett pH av 8,0 och vid en temperatur av 25°C). Reaktionen genomfördes under 24 timmar under långsam omrörning och vid 2°C. Efter fullbordad reaktion tvättades de tre fiberproven växelvis med vatten och med en 0,05 M fosfatbuffert, pH = 8,0, tills ingen enzymaktivitet kunde i tvät ttnet - Q upptäckäâ. Efter fullbordad proteinbindingsreaktion mattes den reste- rande enzymaktiviteten hos reaktionslösningen. Den var: 7§9 BAEE-enheter/ml Lösning i kontakt med fiberprøv 13): 13,1 - " .- 25,2 - " - Vid mätning av den vid fiberproven bundna enzymaktiviteten Lösning i kontakt med fiberprov A): Lösning i kontakt med fiberprov C): erhölls följande värden: Fiber A) 650 BAEE-enheter per gram torr produkt Fiber B) 450 - " - ^ _h 'Fiber C) 80 - " - Exempel 5 -~¿ Användning av porösa fibrer baserade på cellulosatriacetat som ett substrat för kemisk immobilisering av proteiner 494 g av fibern A) enligt Exempel 4 tvättades med vatten, hydrolyserades därefter med 100 ml av 0,5 M NaOH och underkastades -därefter en aktiveringsreaktion med 83 ml av 0,05 M fosfatbuffert, pH = 8,0, innehållande 0,142 g bensokinon. Därefter tvättades fibern.

Denna procedur är identisk med den som användes i Exempel 4. Det så erhållna fiberprovet reagerades med enzymet penicillinacylas under följande betingelser. Provet kontakterades under långsam om- rörning under 24 timmar vid rumstemperatur med 25 ml av en 0,04 M fosfatbuffert, pH = 7,6, som innehöll 38 enheter/ml av penicillin- acylas från Escherichia Coli (ATCC-9637) med en specifik aktivitet _ _ __ _ lar l nmol/min av 5 enheter per .ng protein. (En enzymisk enhet ar den mängd enzym scm cmvand 10 15 20 25 30 35 7714702-3 ...n- 7 av penicillin G till 6-aminopenicillansyra och fenylättiksyra under följande betingelser: temperatur 37°C, pH = 8,0, fosfatbuffert 0,01! och penicillin G = 2 % vikt volym, total volym 200 ml och totalt 15-30 enzymiska enheter närvarande. Under dessa betingelser överens- stämmer måttet på den enzymiska reaktionens begynnelsehastighet, såsom uttryckt i umol per minut, med de enzymiska enheterna själva.) Sedan provet tvättats för avlägsnande av oreagerat enzym på det i Exempel 4 beskrivna sättet, bestämdes den enzymiska aktivitet som fanns kvar bunden vid fiberprovet. Denna aktivitet var 444 umol per minut och per gram av torr produkt.

Exempel 6 Användning av porösa fibrer av poly-L-gammaetylglutamat som ett substrat för kemisk immobilisering av proteiner 3,92 g av den enligt Exempel 2 framställda fibern av poly-L- gammametylglutamat tvättades med 50 ml destillerat vatten 4 gånger för avlägsnande av glycerol och därefter 5 gånger med absolut metanol 50 ml varje gång, för avlägsnande av vatten,foch uppslammades slut- ligen i 50 ml absolut metanol innehållande 2,0 mmol hydrazinhydrat.

Blandningen hölls under långsam omrörning vid rumstemperatur. Reak- tionen övervakades genom titrering av förlusten av hydrazin från reaktionslösningen. Sedan 0,98 mmol hydrazin försvunnit från lös- ningen, avbröts reaktionen, genom att fibersubstratet filtrerades bort från metanollösningen och tvättades 3 gånger med 50~ml metanol.

Fibersubstratet tvättades därefter med kallt vatten(l-2°C) och ned- sänktes därefter i l00 ml av 0,5 M vattenlösning av HGl, som hölls på ett isbad. Till denna blandning, som hölls under omrörning, till- sattes i små steg under 15 minuter 1 g natriumnitrit. Efter denna tillsättning hölls massan under omrörning i kallt tillstånd under en timme, varefter fibersubstratet tvättades med en kall 0,01 M vattenlösning av HCl. Till sist indränktes fibern i 100 ml av 0,1 M fosfatbuffert, pH = 8,5, innehållande 100 mg tripsin med en specifik aktivitet av 30 BAEE-enheter/mg. Massan rördes om under natten vid OOC. Fibersubstratet tvättades med vatten, tills ingen enzymaktivi- tet längre kunde upptäckas i vattnet, varefter den vid fibern bundna enzymaktiviteten uppmättes. Den uppgick till 350 BAEE-enheter per gram torr produkt. 10 l5 20 25 30 35 40 7714702-3 å Exempel 7 Användning av porösa fibrer av polyvinylklorid som ett substrat för kemisk immobilisering av proteiner 3,39 g av den i enlighet med Exempel 3 framställda fibern tvättades 4 gånger med vatten, varje gång 50 ml vatten, och därefter 5 gånger med absolut metanol, 50 ml metanol varje gång, och ned- sänktes slutligen i 100 ml absolut metanol innehållande l ml kon- centrerad svavelsyra under 6 timmar. Fibern uppsamlades därefter på ett filter och tvättades med 50 ml toluen. Den så behandlade fibern nedsänktes i en lösning 2 gånger med 50 ml metanol och 4 gånger av 5 g fosgen i 100 ml toluen vid rumstemperatur och hölls under omrörning över natten. Därefter avlägsnades överskottet av fosgen genom tvättning med toluen (5 gånger med 50 ml), varefter fibern torkades i rumstemperatur i en torr kvävgasström. Fibern nedsänktes därefter i 100 ml av en 0,1 M fosfatbuffert,:pH = 7,5, kyld till OOC och innehållande 100 mg tripsin med en specifik aktivitet av 30 BAEE- enheter/mg. Massan hölls under omrörning i kållt tillstånd under 20 timmar. Till sist avlägsnades oreagerat enzym genom tvättning av vatten, tills ingen enzymaktivitet kunde upptäckas i tvättvattnet.

Det så erhållna fibermaterialet uppvisade en enzymaktivitet av 250 BAEE-enheter per gram torr produkt. a Exempel 8 Användning_avpporösa fibrer av cellulosatriacetat som molekylsil 137 g av cellulosatriacetatfiber framställd på det i Exempel l beskrivna sättet och innehållande 24,6 g polymer klipptes upp i stapelfibrer med en längd av 0,3-0,6 cm och packades i en kolonn med en diameter av 2,5 cm upp till en nivå av 34,7 cm, så att fibern upptog en total volym av l70 ml i bädden. Den så packade fibern befriades från luftbubblor och tvättades samtidigt genom eluering av densamma med ca 5 l vatten, som dessförinnan avgasats under vakuum. Den så erhållna kolonnen visade sig ha egenskaperna av en molekylsil. Då den utsattes för gelfiltreringsmätningar med använd- ning av en vattenlösning av KCl (l3,3 g/1) som eluant, erhöll man för Blue Dextran 2000 (en produkt från Pharmacia-Fine Chemicals AB, Uppsala, Sverige) med en molekylvikt av 2 000 000 en elueringsvolym av 73 ml. Detta värde var konstant inom ett flödesintervall från 5 ml/h till 50 ml/h. Elueringsvolymen för kaliumbikromat med en molekylvikt av 294 varierade däremot mellan 128 ml vid 7,5 ml/h och ll8 ml vid 45 ml/h. Dessa data visar, att fibern fungerar som en molekylsil. Samtidigt erhålles en metod för bestämning av fiberns 10 15 7714702-5 9 skenbara densitet: 170 ml (total bäddvolym) - 73 ml (tom volym i kolonnen) = 97 ml. Sålunda upptog 24,6 g polymer en volym av 97 ml, varför 24,6:97 = 0,253 g/ml.

All fiber i kolonnen omvandlades därefter till cellulosa genom behandling med en 0,5 M vattenlösning av natriumhydroxid vid rums- temperatur under 8 timmar, varefter fibern packades i samma kolonn som tidigare och underkastades samma gelfiltreringsmätningar. Resul- taten blev: Total bäddvolynl = 100 ml Elueringsvolym för Blue-Dextran 2000 = 38 ml Elueringsvolym för kaliumbikromat = 92 ml I detta fall var elueringsvolymén för kaliumbikromat åter kon- stant inom samma flödesintervall.

Slutligen bestämdes fiberns torrvikt genom torkning av fibern vid 80°C under vakuum. Torrvikten var 14,1 gi Den skenbara densiteten hos den erhållna cellulosafibern var sålundašl4,l : (100-38) = 0,227 g/ml. I

Claims (1)

1. 771147 ozi-s m» PATENTKRAV Förfarande för framställning av fibrer med porös struktur genom upplösning av en polymer, blandning av den erhållna polymerlösningen med glycerol, spinning av den så erhållna blandningen och avlägsnande av den dispersa fasen, k ä n n e t e c k n a I: därav, att man som polymer använder polymert cellulosatriacetat, poly-L-gamma-metylglutamat eller en sampolymer av vinylklorid och vinylacetat.