SE512234C2 - Hydrogelprodukt för adsorptionsändamål bestående av en vattenolöslig stödmatris som är tvärbunden med polymerer - Google Patents

Description

512 234 2 oligoetylenimin eller polyetylenimin väljs blir aminogruppstätheten högre än hydroxyltätheten i det ursprungliga gelnätverket vilket är en fördel för framställning av produkten.

US 4,144,190, 1979 (Bowes et al.) har beskrivit en polysackaridadsorbent framställd av en polysackarid och en kvävehaltig acetyleringsbar polymer med en tvärbindande substans. Steinmann et al. ( Talanta, vol 41, Nr 10, s 1707- 1713) syntetiserade en likartad metalladsorbent utifrån agaros och polyetylenimin. Man studerade där metalljonerna Co", Nizfl Cuß, Zn”, Cd” och UOf'. Vår adsorbent skiljer sig från dessa metalladsorbenter genom att kolhydrat/proteinkomponenten (stödmatrisen) kan hydrolyseras med stark syra utan att produkten makroskopiskt ändrar form. Denna komponent kan också sönderdelas genom oxidation med mättad natriumperjodatlösning.

Där gelen alltså bibehåller sin form trots dessa drastiska behandlingar. Om produkten framställs i form av partiklar kan dessa efter syrabehandling packas i bäddar som tillåter höga filtreringshastigheter. Dessa egenskaper erhålles genom att sammankoppla löslig polymer med ett kolhydrat-polyaminkomplex i olöslig (gel)form med ett tvärbindningsreagens.

G.P.Royer och hans forskargrupp beskriver (J.Am.Chem.Soc. 99, 1977, s. 6141-42 (1977), J.0rg.Chem., 45 (1980) 2269) hur en oorganisk kärna i form av aluminiumhydroxidgel behandlas med polyetylenimin följt av glutaraldehyd och reaktion av den “Schiffska” produkten med natriumborhydrid. Aluminiumhydroxiden löses därpå med saltsyra. Skillnaderna mellan denna produkt och produkten enligt föreliggande uppfinning är bland annat följande: 1. Vi använder organisk polymer företrädesvis polysackarid och/eller protein som stödmatris eller kärnmaterial. 2. Minst två, ofta flera lager polytetylenimin sammankopplas sinsemellan och med stödmatrisen. Särskilt blir skillnaden mycket påtaglig när polymerbildaren är en lågmolekylär alkylenamin som exempelvis tetraetylenpentamin (TEPA). Här kan tvärbindaren viktsmässigt i slutprodukten överväga polyetyleniminkomponenten. 3. Efter hydrolytisk destruktion (nedbrytning) av polysackariden och/eller proteinet återstår en syra- och basstabil rest från denna (dvs från stödmatrisen) som kemiskt kan manipuleras (t ex substitueras). Detta är ej fallet med en oorganisk kärna; alltså ingen substituerbar återstod erhålls med uppfinningen enligt Royer et al. Detta är en fördel då 512 234 3 polyalkylenaminprodukten blir hydrofiliserad med denna återstod som till större delen torde ha strukturen -X-O-CH2-CHOH-CH2OH där X är en tvärbindarstruktur som uppkommit vid kopplingen. Vi har alltså efter syrabehandlingen en stabil produkt med både NH2, NH- grupper och OH-grupper vilka var för sig kan aktiveras och substitueras (med samma eller olika substituenter). Även efter syrabehandling, följt av perjodatbehandling och slutlig reduktion med natriumborhydrid återstår ett polyetylenimin- komplex med vidhängande rester av polysackarider. Dessa rester torde huvudsakligen ha strukturen -CH2-CHOH-CHgDH med tvärbindningen till polyetyleniminen kvar. Denna struktur är att betrakta som en glyceroleter och gör därför produkten med hydrofil och biokompatibel (och därigenom skonsammare för biologiskt material). Glycerolresten kan aktiveras och därefter substitueras. Eftersom ett högre pH krävs för aktiveringen av alifatisk hydroxyl än amin kan polyamin och glycerolkomponenterna aktiveras och substitueras oberoende av varandra. Man kan därför substituera polyaminen med en metallkelator och glycerolgrupperna med en annan grupp, t ex ett aromatiskt ämne och på så sätt erhålla en adsorbent med dubbla funktioner. En sådan adsorbent kan alltså framställas resistent mot såväl stark syra som bas. 4. I uppfinningen enligt Royer et al ingår ett oorganiskt kärnmaterial och polyetyleniminen är ej kopplad till denna i kemisk förening utan kontakten är genom fysikalisk adsorption och genom att kanaler och porer fylls av polyetylenimin (PEI) före tvärbindning. Kapillärpenetrationens effektivitet kan ifrågasättas. Enligt föreliggande uppfinning kan kontakttiden mellan polyaminen och den aktiverade fasta fasen göras mycket lång. Alla permeabelt tillgängliga kanaler och porer med aktiva grupper kan då reagera med inträngande polymer och där fixeras.

Kontaktningen mellan reagerande komponenter är därför helt olika.

Vår adsorbent enligt föreliggande uppfinning skiljer sig alltså från dessa ovannämnda metalladsorbenter inom teknikens ståndpunkt bland annat genom att kolhydrat/proteinkomponenten (stödmatrisen) kan genomgå drastiska behandlingar utan att produkten makroskopiskt ändrar form. Om produkten sedan framställs i form av partiklar kan dessa efter behandlingen packas i bäddar som tillåter höga filtreringshastigheter.

Vi har alltså åstadkommit en ny adsorbent som överkommer tidigare kända stabilitetsproblem hos metalladsorbenter. 512 234 4 Dessutom kan vi använda högre filtreringhastigheter vid användning av den föreliggande uppfinningen vilket kan vara av stor fördel i exempelvis storskaliga processer.

Sammanfattning av uppfinningen Föreliggande uppfinning avser en hydrogelprodukt för adsorptionsändamàl bestående av en i vatten olöslig stödmatris och tvärbundna polymerer, kännetecknad av att stödmatrisen är substituerad med ett första, lösligt polymermaterial kemiskt bundet till stödmatrisen, varefter ytterligare polymermaterial är inbyggda i det primärt syntetiserade stödmatrispolymerkomplexet genom skilda slag av tvärbindningar varvid eventuellt stödmatrisen föreligger i form av en syra- och basstabil rest.

Vidare avser föreliggande uppfinning ett förfarande för att framställa denna hydrogelprodukt kännetecknat av att polyalkyleniminkedjor A1 införs i polysackarid/protein-nätverket (dvs stödmatrisen) som därefter aktiveras och samtidigt tvärbinds med en tvärbindare X1 varefter produkten kopplas med en ny alkylenimin A2 som därpå aktiveras med X2, osv., eller polyalkyleniminkedjor A1 införes i stödmatrisens nätverk varefter produkten reageras med en blandning av tvärbindare och polyamin och oreagerade reaktionsprodukter avlägsnas från den fasta fasen genom tvättning.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Med stödmatris avses i föreliggande ansökning en matris som är uppbyggd med ett första, vattenolösligt polymer-material.

Uppfinningen demonstreras i form av en stödmatris bestående av tvärbundna sfäriska agarospartiklar men stödmatrisen kan även innefatta agarpartiklar och andra polysackarider, agaros eller derivat därav, cellulosa (exempelvis bomull) eller derivat därav, tvärbundet dextran eller derivat därav, samt stärkelse eller derivat därav samt även proteiner, eller en kombination av polysackarid och protein.

Stödmatrisen kan istället för polysackarid, innefatta ett protein med lämpliga sidokedjor som fallet är med hår (ull) och silke. De innehåller t ex OH från serin och -S-S-grupper som kan överföras i -SH samt aminogrupper. Serins OH-grupper kan överföras i SH-grupper. (Ebert,C., Ebert, G. och Karipp, H. “On 512 234 5 the introduction of disulfide cross-links into fibrous proteins and bovine serum albumin”, Advances in Experimental Medicine and Biology", vol86A, 1977, Plenum Press, New York, Editor M.

Friedman, sid 235-245. Det är alltså möjligt att bygga upp en sammanhängande polyamin omkring ull eller silkestråd. Med ovan nämnda metod att införa SH-grupper kan stödmatrisen utvidgas till andra proteiner och proteinkomplex. Proteinet aktiveras med bifunktionellt reagens t ex en bisepoxid, epiklorhydrin, divinylsulfon etc varefter polyetyleniminen kopplas o.s.v.

En stödmatris kan byggas upp av både protein och polysackarid t ex genom att proteinpartiklar blandas med agar i varm lösning som därefter får stelna till gel. Polyamin kan sedan byggas upp kring gelkomponenten. I vissa fall kan en sådan konstruktion av uppfinningen erbjuda vissa fördelar. Proteinet och polysackariden kan var för sig brytas ned enzymatiskt, alternativt kan proteinet brytas ned i stark alkali varefter polysackariden kan brytas ned i syra. mellanprodukten kan substitueras. En sådan selektiv nedbrytning kan vara av värde för kontroll av slutproduktens porositet.

Uppfinningen kan också föreligga i pärlform, trádform, membranform eller även porös och svampartad (skumplastartad) form. Den kan alltså föreligga i en ganska godtycklig form.

Med en syra- och basstabil rest avses i föreliggande ansökning en rest som bildas när man behandlar stödmatrisen med syra, bas, oxidationsmedel eller reduktionsmedel. Syran kan vara PQSO4. Oxidationsmedelsbehandling kan ske med mättad perjodatlösning vid pH 7. Reduktionsmedel kan vara natrium- borhydrid.

Hydrogelprodukten kan även beskrivas med strukturformeln: P-Y-XlAl-XZÅZ- . . . -XiAi-XnZ-Xn där P är stödmatrisen Y är en kväve-, svavel- eller syrebrygga X;....Xi.....Xn är samma eller olika di, tri- eller poly- funktionella tvärbindare A1.....Ai.... A; är vattenlösliga polymermaterial, företrädesvis samma eller olika slags tvärbundna rester av aminer, n och i är hela tal där i < n och n > 2.

A1....An kan utgöras, en eller flera, av rester av rak eller grenad polyalkylenamin (vanligen kallad polyalkylenimin}, företrädesvis oligo- eller polyetylenamin, eller av rester från 512 234 6 någon av aminerna NHRJQ där R, kan vara identisk med eller skild från R2 och R kan vara H, alkyl, aromatisk eller heterocyklisk alkyl, karboxyalkyl eller annan aminosyra.

Tvärbindarna kan vara av skilda slag. De kan vara bi-, tri- eller polyfunktionella. Ju fler aktiverade funktioner tvärbindaren har desto effektivare blir både tvärbindningen och aktiveringen. En trifunktionell tvärbindare som exempelvis trihalotriazin eller t ex triepoxid kan fungera både som tvärbindare och aktiverare. Tvärbindare kan vara halohydrin, di- , tri- eller polyepoxid, halodiazin eller halotriazin, di-, tri- eller polyfunktionell aldehyd, företrädesvis glutaraldehyd eller polymeriserad glutaraldehyd, di-, tri~ eller polyaziridin, Xy- alkylen-X2, där X1 och X2 är halogen, företrädesvis etylendibromid, eller halogencyanurat.

Tvärbindarna i produkten kan vara av skilda slag varigenom en eller flera tvärbindningar kan brytas upp och lämna kvar en eller flera andra tvärbindningar intakta.

Alkyleniminerna som utnyttjas för framställning av produkten i enlighet med föreliggande ansökning kan vara av lågmolekylär typ t ex tetraetylenpentamin eller högmolekylär typ t ex polyetylenimin. Aminen kan ha en linjär molekylstruktur eller den kan vara grenad som t ex tris(2-aminoetyl)amin, TREN.

Uppfinningen avser polyalkylenaminer allmänt varav polyetylenamin är ett exempel. Beprövad erfarenhet ger vid handen att polypropylen- och polybutylenamin ger produkter med egenskaper som inte fundamentalt skiljer sig från polyetylenvarianter. De senare är något mer hydrofila.

Uppfinningen i enlighet med föreliggande ansökning har en avsevärd stabilitet och den intar en bibehållen, ursprunglig form även efter kraftig kemisk påverkan, t.ex. eluering, vid behandling med stark syra, t.ex. 20%-ig svavelsyra, behandling med mättad perjodatlösning vid pH 7, eller vid behandling med natriumborhydrid.

För att framställa uppfinningen enligt föreliggande uppfinning kan man använda olika förfaranden: 1. Polyalkyleniminkedjor A1 införes i polysackarid/protein- nätverket (stödmatrisen) som därefter aktiveras och samtidigt tvärbinds med en tvärbindare X1 varefter produkten kopplas med en ny alkylenimin A2 som därpå aktiveras med X2, osv., 2. Polyalkyleniminkedjor A1 införes i stödmatrisens nätverk varefter produkten reageras med en blandning av tvärbindare och polyamin och oreagerade reaktionsprodukter avlägsnas från den 512 234 7 fasta fasen genom tvättning. Enligt en utformning av upparbetningar upprepas aktiveringen och kopplingen flera gånger. 3. Ett tvärbundet polyalkylennätverk tvärbindes först varefter det kopplas till den fasta polysackarid/protein-fasen (stödmatrisen), som kan vara tvärbunden polysackarid/protein med eller utan polyalkylenimin kopplad enligt (1) eller (2).

Förfarandena enligt (l), (2) och (3) kan också innefatta att polysackarid/protein-nätverket utsätts för nedbrytning varvid en syra- och basstabil rest bildas.

Tvärbindningen kan även ske på annat sätt nämligen genom att tvärbindaren byggs upp på aminoenheterna. Detta kan exemplifieras med allylkorid eller allylbromid tex X-NH2 + CH,=CH-CH¿Br-> X-NH-CH,-CH=CH2 (I) X=resten av polymeren Allylaminen överförs därefter i en reaktiv form genom halogenering t ex bromering med bromvatten: I + B12 -> x-NH-cng-cnzßr-cnsr I + HoBr-> x-NH-cHz-cHoH-cflzar I alkalisk lösning bildas epoxid. Den bromerade produkten kan kopplas till aminer som polyaminer men också tioler.

Denna tvåstegsaktivering har vissa fördelar.

Aminogrupperna i polyetylenimin är närbelägna och ringslutning kommer under bättre kontroll och högre kapacitet kan erhållas.

Man får alltså ett förfarande där aktiveringen via polyaminenheterna Aç4% sker genom en tvåstegsprocess där först omättade substituenter, företrädesvis alkenylgrupper, mest föredraget allylgrupper, införs vid de primära och/eller sekundära aminogrupperna varefter de omättade substituenterna avmättas med ett halogenvatten, företrädesvis med bromvatten, varefter kopplingen med aminerna därpå sker företrädesvis i alkalisk miljö.

Aktiveringen och kopplingen kan upprepas flera gånger eller tvärbindes först ett polyalkylennätverk varefter det kopplas till en fast polysackarid/proteinfas som kan vara .. . n .ml-ul .. t-uuniw m. l _ . .u nu* ü 512 234 8 tvärbunden polysackarid/protein med eller utan polyalkylenimin kopplad enligt ovan.

När det så bildade polyetylenimin-polyetyleniminkomplexet i sin tur tvärbinds med mer polyetylenimin bildas ett alltmer högmolekylärt polyetyleniminkomplex som genom upprepade likartade operationer ger ett allt stabilare polymerkomplex. De så behandlade partiklarna behåller sin form och kan alltså utsättas för synnerligen drastisk behandling såsom med stark syra eller bas utan att metallbindningsförmågan går förlorad förutsatt att tvärbindningsreagens såsom epoxider, halohydriner eller halogencyanurater använts.

Det är anmärkningsvärt att lågmolekylära etylenaminer, som exempelvis tetraetylenpentamin ger vid upprepade reaktioner enligt ovan mycket stabila permeabla komplex som efter reaktion med tungmetaller som kopparjoner även efter stark syrabehandling kvarhåller en väsentlig mängd kopparjoner uppenbarligen i starkt komplexbunden form eller instängda i det starkt tvärbundna molekylära nätverket.

För att framställa produkten enligt uppfinningen fordras i allmänhet att ett tillräckligt antal, dvs en eller flera reaktioner med oligo- eller polyetylenimin sker, varvid man erhåller ett tillräckligt antal lager med polyamin, företrädesvis minst 2 lager på stödmatrisen, mest föredraget minst 3 lager.

Produktens, enligt uppfinningen, egenskaper beror på matristätheten (agaroskoncentrationen i partiklarna) och avspeglas i hur molekyler av olika storlek kan penetrera in i matrisen.

Förklaringarna till varför metalljonerna adsorberas av matrisen kan också vara exempelvis att man tack vare den stora mängden aminogrupper i matrisen kan åstadkomma en Z-potential som är tillräckligt kraftfull så att jonerna fångas in. De fria elektronparen i aminogrupperna kan vara de som deltar aktivt vid infångandet av jonerna. Det kan alltså bero på att det sker någon form av ömsesidigt utnyttjande av elektroner (elektrondelokalisering)_ Kovalens kan vara en annan förklaring till att uppfinningen fungerar, liksom elektrostatiska krafter.

En annan förklaring kan vara att ringformiga (eller till och med sfäriska) strukturer bildas som släpper igenom vissa metalljoner men inte andra. På sikt skulle man även kunna specialanpassa hydrogeler i enlighet med uppfinningen för speciella metaller genom att använda dessa metalljoner som 512 234 9 mallar för att åstadkomma en adekvat utformning av gelen.

Dessa förklaringar ovan skall inte på något sätt vara begränsande för uppfinningens omfattning utan tjänar till att ge möjliga förklaringar till hur uppfinningen i föreliggande ansökning fungerar.

I exemplen nedan demonstreras uppfinningen i form av olika partiklar t ex Novarose” SE 10 (Novarose är ett varumärke ägt av Inovata AB) som företrädesvis penetreras av proteinmolekyler i genomsnitt inte mycket större än 10000 Dalton, Novarose SE 100 som penetreras av molekyler omkring 10 gånger större, och Novarose SE 1000 som penetreras av molekyler större än 1 miljon Dalton. Några exempel har också utförts med gel som penetreras av proteinmolekyler med en genomsnittlig storlek upp till 300000 Dalton.

Tillämpningsområden för förliggande uppfinning skulle kunna vara exempelvis inom miljöteknik för att ta bort oönskade metalljoner ur lakvatten. Givetvis erhålles då också en anrikning på samma gång av metalljoner vilket kan vara önskvärt att uppnå vid andra tillämpningar som exempelvis metallutvinning. Metallurgisk industri kan ha glädje av denna uppfinning dels för att rena bort metalljoner eller dels för att anrika metalljoner.

Uppfinningen kommer nu att belysas med efterföljande exempel och figur. Dessa exempel och figur skall inte på något sätt vara begränsande för uppfinningens omfång utan enbart verka förklarande.

Figur 1 visar i steg a) den nedbrytbara stödmatrisen i form av en polysackarid (D-polymer), steg b) när man tvärbundit polyaminer till basmatrisen och fått ett lager (skikt) med polyaminer, dvs erhållit ett stödmatrispolymerkomplex, steg c) när man tvärbundit ytterligare polyaminer och fått ett ytterligare lager (varvid man erhållit en hydrogelprodukt) och steg d) när man tvärbundit ytterligare polyaminer och fått ytterligare ett lager, varvid man erhållit ytterligare en hydrogelprodukt (DR-komplex ) med tre lager. Steg e) visar sedan hydrogelprodukten när den brutits ned exempelvis genom hydrolys varvid man erhållit syra- och basstabilrest utav stödmatrisen och en ytterligare hydrogelprodukt (R-polymer).

Exempel Koppar i alla exempel nedan analyserades med hjälp av Huànu. i. 512 234 10 AAS, dvs atomabsorption, och kväve analyserades med hjälp av ICP (Inductive Coupled Plasma).

Exempel l 50 g torrsugna högaktiverade agarosgelpartiklar med en genomsnittlig diameter omkring 40 mikrometer och en ungefärlig övre gräns för penetrering av proteiner inom intervallet 10000- 50000 dalton, Novarose Act “W SEl0/40 (erhållet från Inovata AB), uppslammades i vatten och 2 g tetraetylenpentamin (TEPA) från Sigma-Aldrich. Efter 24 timmar filtrerades partiklarna på grovt glasfilter och tvättades med vatten följt av 0,1 M Na CO? 10 g av denna mellanprodukt överfördes till koppargel som analyserades med avseende på koppar och kväve.

Cu: 2,2% ; N:3,25% 40 g av mellanprodukten slammades upp i 0,1 M Na2CO3 innehållande 3% butandiolbisglycidyleter_ Efter 1 timme filtrerades suspensionen och partiklarna tvättades omsorgsfullt och slammades sedan upp i en 20% vattenlösning av TEPA varefter partiklarna samlades på filter och tvättades. Aktiveringen med bisepoxid, tvättning och följt av TEPA-behandling upprepades 2 gånger. Produkten överfördes i kopparform och analyserades.

Cu: 6,0% ; N: 3,89% Enligt en annan utformning av gel enligt uppfinningen syntetiserades produkten utifrån en porösare agarosgel än i exempel 1 (där enligt det tillverkande företaget, INOVATA AB, den ursprungliga gelen penetreras av proteiner med molekylvikt i storleksordningen 10-50 kDalton). Den första kopplingen utfördes med en högmolekylär polyetylenimin, PEI, erhållen från Sigma- Aldrich, Milwaukee, USA. Därefter mättades gelen med kopparsulfat och överskottet av koppar tvättades bort. Den kopparmättade gelen omsattes med tetraetylenpentamin, TEPA.

Aktiveringen utfördes på två sätt: a) med butandioldiglycidyleter såsom beskrives i Exempel 2 nedan och b) med glutaraldehyd såsom beskrivs i exempel 3. Produkten enligt Exempel 2, mättad med kopparjoner, aktiverades på nytt med bisepoxid och omsattes med den högmolekylära PEI enligt Exempel 4. Avsikten här är att visa att en gel enligt uppfinningen kan erhållas oavsett om aktiveringen av mellanprodukten sker i närvaro eller frånvaro av kopparjoner.

Exempel 2 41 512 234 H 68 g Novarose Act “W SE 100/40 slammades upp i 70 ml 0,1 M Na2CO3. 18 g polyetylenimin (högmolekylär) i 50 ml vattenlösning tillsattes och reaktionen fick fortgå i 70 timmar vid rums-temperatur (rumstemperatur i alla exemplen) under omskakning. Gelen filtrerades därefter pà glasfilter och tvättades med en stor mängd destillerat vatten. Gelen mättades med 0,1 M koppar-sulfat. Överskottet kopparjoner tvättades bort med destillerat vatten. 20 g av den kopparmättade gelen uppslammades i 10 ml 0,1 M NagXL och den aktiverades med 10 ml butandioldiglycidyleter under två timmar. Den blå gelen tvättades med en stor volym destillerat vatten följt av 0,1 M Na¿CO3. Gelen uppslammades i 10 ml 0,1 M Na¿C03 och 10ml TEPA. En starkt blå lösning erhölls.

Efter 48 timmars reaktion tvättades gelen på filter med stora mängder destillerat vatten och 0,1 M Na¿CO3. Gelen var svagt blàfärgad men efter mättning med kopparsulfat erhölls en starkt blàfärgad gel.

Analys av torkad gel gav som resultat Cu: 6,72%; N: 5,2% Exempel 3 Reaktionen utfördes som för Exempel 2 med den skillnaden att aktiveringen före TEPA-kopplingen utfördes med 10 ml glutar- aldehyd i 10 ml 0,1 M Na¿CO1 under 2 timmar. Gelen upparbetades såsom i Exempel 2 och den kopparmättade produkten analyserades.

Cu: 5,2%; N: 5,4% Exempel 4 5 g av produkten enligt Exempel 2 i kopparform akti- verades med 5 ml butandioldiglycidyleter uppslammat 10 ml 0,1 M Na2CO3 under 25 minuter. Efter tvättning omsattes gelen med 4 g 50% PEI (Sigma-Aldrich högmolekylär, molekylvikt okänd) under 24 timmar. När gelen tvättades med vatten följt av karbonatlösning på sätt enligt Exempel 2 erhölls en starkt blå gel. Färgen förstärktes ytterligare vid tillsats av kopparsulfat.

Försök utfördes också pà gel som penetreras av molekyler och partiklar över 1000 kDalton.

Exempel 5 100 g torrsugen Novarose Act “”=1000/40 slammades upp i 100 ml destillerat vatten och 20 ml TEPA. Reaktionen fick fortgå vid rumstemperatur under 70 timmar. Gelen tvättades på filter 512 234 12 och mättades med kopparsulfat. Efter ytterligare tvättning med vatten och 0,1 M Na2CO3 slammades 10 g av gelen upp i 10 ml 0,1 M Na2CO3 och 10 ml butandioldiglycidyleter. Suspensionen skakades vid rumstemperatur under 1 timme varefter den tvättades med stora mängder etanol följt av destillerat vatten. Den så aktiverade gelen kopplades omedelbart med 2,7 g högmolekylärt PEI (Sigma-Aldrich) i 50% vattenlösning. Efter 48 timmar upparbetades produkten och överfördes i kopparmättad gel. Analys gav: Cu: 6,72%; N: 6,24% Försöken enligt utföringsexemplen 1-5 visar att produkten kan erhållas i olika form genom att utföra aktiveringen under olika betingelser med bisepoxid, ett bifunktionellt reagens, och med glutaraldehyd, som i monomer form är ett bifunktionellt reagens men vanligen innehåller en obestämd mängd polymer med flera funktionella grupper. Vidare visar försöken att gelprodukt i olika form erhålls med polyetyleniminer av olika molekylvikt och med utgångsgeler av olika porositet, samt vidare att gelprodukt också erhålls vid aktivering i frånvaro av Cu“ (Exempel 1) och i närvaro av Cu" (Exemplen 2-5).

Gelprodukternas syrastabilitet prövades kvalitativt med 2M H2SO,. Efter 3 dagars exponering för syran uppfångades gel enligt Exempel 2 på filter. Visuellt kunde ingen förändring genom syrans inverkan iakttagas. En bädd av gelpartiklar visade utmärkta flödesegenskaper och gelen absorberade stora mängder kopparjoner.

Genom tvärbindning har agaros-PEI-gelen blivit mycket syrastabil. Efter det att agarosen hydrolyserats återstår alltså en mycket syrastabil gel som består av starkt tvärbunden poly- etylenamingel (i sfarisk partikelform liksom den ursprungliga polysackaridgelen) med kovalent fixerade galaktosrester, vilket visas av produktens goda förmåga att adsorbera galaktosspecifika lektiner.

Exempel 6 200 g sfäriska tvärbundna agarospartiklar (Novarose SE 1000/40) slammades upp i 100 ml 2M NaOH. 30 ml epiklorhydrin tillsattes. Reaktionen stoppades efter två timmar genom tvättning med etanol följt av vatten på glasfilter under vakuumsugning. Hälften av gelen slammades upp i 100 ml 0,2 M NaHCO3 + 0,1 M Na¿CO3. 4 g högmolekylär polyetylenimin (Sigma- Aldrich PEI 50% vattenlösning) tillsattes. Till huvudmängden av ¶ 512 234 fl la suspensionen tillsattes nu 20 ml tetraetylenpentamin. Reaktionen fick fortgå 20 timmar varefter gelen tvättades på filter med vatten. Prov. L2 togs ut och analyserades.

Cu 2,l%; N: 2,12% Huvudparten av gelen (ca 100 g torrsugen produkt) slammades upp i 100 ml 0,2 M Na2CO3. 4,5 g divinylsulfon tillsattes. Efter 75 minuter tvättades gelen och överfördes i 50 ml 0,2 M Na2CO3. 9,3 g polyetylenimin tillsattes och efter 90 minuter dessutom 20 ml tetraetylenpentamin. Efter 3 dygn stoppades reaktionen. Gelen tvättades och överfördes i kopparform samt analyserades (L3).

Cu: 3,3%; N: 3,8% Exempel 7 18 g av slutprodukten i Exempel 6 tvättades med 0,1 M iminodiacetat varvid kopparn eluerades. Gelen överfördes i 2 M svavelsyra. Efter 48 timmar filtrerades gelen av och tvättades med vatten till neutral reaktion och överfördes i kopparform och analyserades.

Cu: 3,1%; N: 3,77% Exempel 6 visar hur man genom att först införa polyetylenimin och därefter tillsatta till samma lösning den mer lågmolekylära tetraetylenpentaminen effektivt kan öka kvävehalten och kopparkapaciteten. Genom att därpå införa polyetylenimin och tetraetylenpentamin, nu med divinylsulfon i stället för epiklorhydrin som kopplingsreagens och bryggbildare vid lägre alkalinitet kunde kopparkapaciteten ytterligare höjas.

Exempel 8 För att också visa basstabiliteten hos slutprodukten i exempel 6 behandlades 6,5 g av denna med 2M NaOH under 24 timmar. Liksom i Exempel 7 erhölls en snabbfiltrerande vit gel som överfördes i kopparform och analyserades.

Cu: 3,4%; N:3,97% Exempel 9 114 g Novarose SE 100/40 High Act slammades upp i 100 ml 0,1 M NaHCO3 och försattes med 4,6 ditiotreitol. Kolven sattes på skak i 26 timmar. Den gula suspensionen filtrerades. Både lösning och gel var gula. Gelen hade bra filtreringshastighet. 44 g M aktiverades med 5 ml epiklorhydrin i 50 ml 512 234 14 buffert. Efter 3 timmar avfiltrerades gelen, tvättades med vatten och därpå med 0,2 M NaHCO3 + 0,1 M Na2CO3 i vilken buffert gelen uppslammades i 30 ml och 6,1 g PEI 2000 (Sigma-Aldrich) tillsattes. Efter 3 timmar tillsattes 10 ml TEPA. Efter ytterligare 19 timmar avbröts reaktionen och Gelen (M1) tvättades och slammades upp i 50 ml 0,4M Na2CO3. 25 ml butandioldiglycidyleter tillsattes och aktiveringen fick pågå 1 timme. Efter tvättning och uppslamning i 50 ml 0,4 M Na2CO3 tillsattes 5,3 g EPI 2000 (Sigma-Aldrich) och suspensionen skakades i 3 dygn. Den tvättade Gelen (42 g) försattes med 50 ml 0,4 M Na2CO3 och 4,1 g PEI 2000 (Sigma-Aldrich) och fick stà i l dygn under skakning. 20 g av den tvättade Gelen (M2) överfördes i kopparform samt analyserades.

Cu: 5,2%; N:3,84% Exempel 10 3 prov av Gelen i Exempel 9 Mu, Mßoch MV 4 g av varje, aktiverades med 3 ml butandioldiglycidyleter i 20 ml Na2CO3 i 15 min, 45 min och 3,5 timmar respektive. Efter tvättning överfördes proven i 10 ml 0,4M Na2CO3 och till var och en tillsattes 5 ml DPA~lösning. Efter 1 dygn stoppades reaktionen och Gelen testades med avseende på Ni-upptag och kopparadsorption. Försöket utfördes kvalitativt analytiskt och visade ökande substitutionsgrad i ordningen Mm,< Mßoch << MV Alla geler höll kvar något Cu” även i 0,2M svavelsyra också i ordningen MM,< Mßoch << Mr Slutsats 1. Aktiveringen skall utföras över en tid av mer än 1 timme.

Kanske mer än 3 timmar. 2. Den starkaste DPA~Gelen håller Cu (och kanske Ni) mycket starkt och en avsevärd del elueras ej i 0,2M svavelsyra.

M, M2 CuM2 samt MM, Mßoch MX, alla filtrerar bra.

Exempel ll 100 g avrunnen Novarose GF-300 Act M” tvättades med 2 l destillerat vatten pà büchnertratt. Gelen överfördes till en 500ml E-kolv och ca. 50 ml destillerat vattten tillsattes. 5 g TEPA tillsattes och kolven placerades på skakbord med omrörings- hastigheten 125 rpm. Efter 15 min sattes ytterligare 25 g TEPA till blandningen som omrördes i rumstemperatur över vatten. 512 234 15 Gelen tvättades med 2 1 vatten följt av 1 1 0,1 M Na,COw buffert. Gelen sögs precis torr och placerades i 500 ml E- kolven. 50 ml buffert tillsattes och därefter 10 g glycerol propoxylat triglycidyl eter. Gelen omskakades i 1 timma varefter den tvättades med 1 1 buffert. Gelen sögs precis torr och överfördes till 500 ml e-kolven igen. 10 g polyetyleniminwo tillsattes och blandningen skakades 2 timmar. Därefter tillsattes 40 ml TEPA och omrörningen fick fortsätta över natt (20 timmar vid rums-temperatur). Gelen tvättades med 2 l vatten följt av 1 1 buffert. Gelen överfördes därefter till E-kolven tillsammans med 100 ml buffert och 10 g glycerol propoxylat triglycidyl eter tillsattes. Blandningen skakades i rumstemperatur 90 min, 150 rpm. Gelen tvättades sedan med 2 1 vatten och 30 g torrsugen gel togs ur och märktes “Gel A”.

Resten ca. 50 g tvättades över i buffert. Gelen överfördes sedan till E-kolven igen och 50 ml buffert samt 10 g 50% lösning PEINM tillsattes. Skakades i 3,5 timmar varefter 20 g TEPA tillsattes.

Blandningen skakades sedan ca 70 timmar vid rumstemperatur.

Gelen tvättades med 2 l vatten och hälften togs av och forpackades och märktes “B”. Den andra hälften tvättades över i buffert, torrsögs, överfördes till E-kolven tillsammans med 25 ml buffert. 5 g av epoxiden tillsattes och blandningen skakades under 90 minuter. Gelen tvättades med buffert; sögs torr. 25 ml buffert tillsattes tillsammans med 3 g PEI 2000. Blandningen skakades 3 timmar varefter 10 g TREN tillsattes. Blandningen skakades över natten (18 timmar), tvättades, märktes “C”.

De tre gelerna kopparmättes och analyserades.

A Cu 3,5%; N 3,3% B Cu 3,8%; N 3,9% C Cu 4,2%; N 4,0% Exempel 12 15 g Sephadexm G25 (Sephadex W är ett varumärke ägt av Amersham-Pharmacia Biotech AB) medium, svälldes i 300 ml 0,66 M NaOH. 50ml butandioldiglycidyleter tillsattes. Blandningen skakades i 2 timmar varefter Gelen tvättades på filter med etanol följt av vatten, 61 g aktiverad Sephadex erhölls som försattes med 50 ml vatten och 22,8 g polyetylenimin (Sigma- Aldrich). Efter 70 timmar försattes Gelen. 52 g försattes med 50 ml vatten, 50ml NaOH och 50ml butandiolbisepoxid. Efter 3 timmar tvättades Gelen med etanol och därefter vatten. Gelen slammades upp i 50 ml 0,1M Na2CO3 och 34 g PEI (Sigma) tillsattes. Efter 20 512 234 16 timmar tillsattes 20 ml TEPA och efter ytterligare 3 timmar stoppades försöket.

Gelen filtrerade mycket bra och hade starkt blågrönaktig färg. 40 g R2 hydrolyserades med 80 ml 2M svavelsyra. En fast återstod av sfäriska partiklar erhölls. De adsorberade koppar efter tvättning. En snabbfiltrerande gelbadd packades.

Exempel 13 25 g av gelprodukten enligt Exempel 12 suspenderades i vatten, 3 g natriumborhydrid i pulverform tillsattes portionsvis. En kraftig gasutveckling och uppvärmning noterades.

Den svagt gula gelen avfärgades. Suspensionen skakades i 40 minuter varefter den filtrerades, tvättades med vatten, 0,1 M natriumhydroxid och därpå vatten. Den torrsugna gelen överfördes i en 300 ml Erlenmeyerkolv. 15 ml vatten, 1 ml 2M NaOH och 7 ml butandioldiglycidyleter tillsattes. Efter 3,5 timmar filtrerades och tvättades gelen samt överfördes i kopparform. Gelen filtrerade mycket bra, färgades mycket starkt blå.

N: 2,9; Cu: 4,l%.

Exemplet visar att en så behandlad gel, baserad på en mycket starkt tvärbunden polysackarid (det dubbelt tvärbundna dextranet Sephadex G25) kopplar polyetylenimin synnerligen effektivt till en starkt kopparadsorberande produkt.

Exempel 14 1 g bomull behandlades med 0,6 M NaOH under 24 timmar.

Den så behandlade bomullen överfördes i 20ml 0,6 M NaOH och 6 ml 60% 1,4-butandiol-diglycidyl-eter tillsattes. Innehållet (i en kolv) skakades 24 timmar, tvättades, överfördes i 30ml Na2CO3. 15 ml polyetylenimin med MW 2000 tillsattes och innehållet fick reagera 24 timmar. En mindre del behandlades med 0,01 M kopparsulfat.

Bomullsprodukten blåfärgades.

Huvuddelen av bomullsprodukten, PEIÉ-bomull, behandlades med 0,1 M Na2CO¿ och aktiverades därefter med bisepoxiden, tvättades med 0,1 M Na2C03 och behandlades med polyetylenimin till PEI2-bomull.

Aktiveringen och kopplingen upprepades ytterligare en gång till 3dje generationen copolymer; PEI3-bomull. Denna färgades betydligt starkare än PEI¿~bomullen och kunde behandlas med 30% svavelsyra under 24 timmar med bibehållen trådform och vid en temperatur av 60°C. 512 234 17 Exempel 15 Cellulosa i svampform aktiverades och kopplades i enlighet med exempel 14. Produkten adsorberade koppar och bibehöll formen efter syrabehandling.

Claims (11)

512 234 18 PATENTKRAV

1. Hydrogelprodukt för adsorptionsändamål bestående av en i vatten oloslig stödmatris och tvärbundna polymerer, kännetecknad av att stödmatrisen är substituerad med ett första, lösligt polymermaterial kemiskt bundet till stödmatrisen, varefter ytterligare polymermaterial är inbyggda i det primärt syntetiserade stödmatrispolymerkomplexet genom skilda slag av tvärbindningar varvid eventuellt stödmatrisen föreligger i form av en syra- och basstabil rest.

2. Hydrogelprodukt enligt krav l, kännetecknad av att tvärbindarna är av skilda slag varigenom en eller flera tvär- bindningar kan brytas upp och lämna kvar en eller flera andra tvärbindningar intakta.

3. Hydrogelprodukt enligt krav l och 2, kännetecknad av strukturformeln: P-Y-x,A,_-x,A¿-. . .-x_A__-x,,A,_ där P är stödmatrisen Y är en kväve-, svavel- eller syrebrygga X;....Xl.....Xn är samma eller olika di, tri- eller poly- funktionella tvarbindare A¿.....A¿.... A, är vattenlösliga polymermaterial, företrädesvis samma eller olika slags tvärbundna rester av aminer, n och i är hela tal där i < n och n > 2.

4. Hydrogelprodukt enligt något av föregående krav, kännetecknad av att stödmatrisen utgöres av en polysackarid såsom agar, agaros eller derivat därav, cellulosa eller derivat därav, tvärbundet dextran eller derivat därav, stärkelse eller derivat därav, protein eller en kombination av polysackarid och protein.

5. Hydrogelprodukt enligt något av föregående krav, kännetecknad av att en eller flera tvärbindare, X;-XL , är halohydrin, di-, tri- eller polyepoxid, halodiazin eller halotriazin, di-, tri- eller polyfunktionell aldehyd, företrädesvis glutaraldehyd eller polymeriserad glutaraldehyd, 512 234 19 di-, tri- eller polyaziridin, X;-alkylen-X3, där X; och X2 är halogen, företrädesvis etylendibromid, eller halogencyanurat.

6. Hydrogelprodukt enligt något av föregående krav, kännetecknad av att en eller flera av A ....An utgöres av rester av rak eller grenad polyalkylenamin (vanligen kallad poly- alkylenimin), företrädesvis oligo- eller polyetylenamin, eller av rester från någon av aminerna NHRJQ där R; kan vara identisk med eller skild från R, och R kan vara H, alkyl, aromatisk eller heterocyklisk alkyl, karboxyalkyl eller annan aminosyra.

7. Hydrogelprodukt enligt något av föregående krav, kännetecknad av en godtycklig form, företrädesvis partikulär, lämpligen sfärisk, trådform, membranform eller även porös och svampartad.

8. Hydrogelprodukt enligt krav 7, kännetecknad av en bibehållen, ursprunglig form även efter kraftig kemisk påverkan, t.ex. eluering, vid behandling med stark syra, t.ex. 20%-ig svavelsyra, behandling med mättad perjodatlösning vid pH 7, eller vid behandling med natrium-borhydrid.

9. Förfarande för att framställa en hydrogelprodukt enligt krav 1-8, kännetecknat av att polyalkyleniminkedjor A_ införs i polysackarid/protein-nätverket, dvs stödmatrisen, som därefter aktiveras och samtidigt tvärbinds med en tvärbindare X1 varefter produkten kopplas med en ny alkylenimin A2 som därpå aktiveras med X2, osv., eller polyalkyleniminkedjor A1 införes i stödmatrisens nätverk varefter produkten reageras med en blandning av tvärbindare och polyamin och oreagerade reaktionsprodukter avlägsnas från den fasta fasen genom tvättning.

10. Förfarande enligt krav 9 kännetecknat av att polysackarid/protein-nätverket utsätts för nedbrytning varvid en syra- och basstabil rest bildas.

11. ll. Förfarande enligt något av kraven 9-lO kännetecknat av att aktiveringen via polyaminenheterna A;-AE sker genom en tvåstegsprocess där först omättade substituenter, företrädesvis alkenylgrupper, mest föredraget allylgrupper, införs vid de primära och/eller sekundära aminogrupperna varefter de omättade 512 234 20 substituenterna avmättas med halogenvatten, företrädesvis bromvatten, varefter kopplingen med aminerna därpå sker företrädesvis i alkalisk miljö.