DE10150998A1 - Verfahren zur Herstellung von formstabilen, sphärischen Kohlenhydratpartikeln sowie ihre Verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von formstabilen, sphärischen Kohlenhydratpartikeln, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein faseriges oder pulveriges hochmolekulares unlösliches Kohlenhydrat und/oder mindestens ein chemisch modifiziertes Derivat davon ggf. in Kombination mit mindestens einem festen Füllstoff und/oder einem festen oder flüssigen Modifizierungsreagenz in einer wässrigen Harnstofflösung suspendiert wird, das Wasser unter Rühren und Temperaturerhöhung auf 80-120 DEG C verdampft, die Temperatur zur Bildung der sphärischen Partikel auf bis zu 200 DEG C weiter erhöht wird und die entstandenen sphärischen Partikel nach an sich bekannten Methoden gereinigt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von formstabilen, sphärischen Kohlenhydratpar­ tikeln, sowie entsprechende sphärische Partikel aus Kohlen­ hydraten und ihre Verwendung als Sorptions-, Trenn- und Trägermaterial.

Sphärische Partikel, besonders perlförmige Materialien aus Kohlenhydraten mit einstellbaren und daher variierbaren Porositäten besitzen als Trennmaterial sowie als Matrix für die Immobilisierung von Katalysatoren, besonders Biokatalysatoren, eine besondere Bedeutung in verschiedenen Zweigen der Biowissenschaften. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang Trägermaterialien wie die vernetzten Dextrane und Agarosen und das perlförmige Chitosan. In jüngerer Vergangenheit sind auch perlförmige, poröse Produkte der Cellulose mit vorteilhaften Eigenschaften am Markt erschienen.

Cellulose und viele ihrer Derivate werden häufig als Trägermaterialien in der Chemie, Biotechnologie, Medizin und Pharmazie verwendet. Bevorzugt wird dabei noch die Cellulose als Faser oder Pulver eingesetzt. Ihre Anwendung in diesen Formen ist jedoch mit erheblichen Nachteilen verbunden. Um z. B. hydrodynamische Widerstände bei Chromatographieverfahren zu vermeiden, kann die Cellulose nur in kleinen Säulen Anwendung finden. Perlcellulosen hingegen besitzen solche nachteiligen Eigenschaften nicht, weshalb sphärische Partikel von Kohlenhydraten von breitem technischem Interesse sind, insbesondere auch, weil sie Veredelungsprodukte nachwachsender Rohstoffe sind.

Ihre Herstellung ist bisher schwierig, teuer und in vielen Fällen auch ökologisch bedenklich. Dextrane und Agarosen gehören zum Beispiel zu den teuren Kohlenhydraten. Sie werden mit dem hochtoxischen Epichlorhydrin zu porösen Perlmaterialien vernetzt. Für ihre Herstellung sind damit erhebliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich und es müssen komplizierte und teure Verfahren der Entsorgung der Schad- und Reststoffe angewendet werden. Deshalb werden die vernetzten Dextrane und Agarosen fast ausschließlich in technischen Verfahren zur chromatographischen Isolierung und Gewinnung von Hochwertprodukten wie Proteinen und Enzymen eingesetzt. Eine Anwendung zum Beispiel im Umweltbereich und bei der Wasserentsalzung kommt für solch hochwertige und teuer vernetzte Dextrane und Agarosen aus Kostengründen nicht in Frage.

Eine kostengünstigere Alternative zu den vernetzten Dextranen und Agarosen stellt die seit einigen Jahren kommerziell verfügbare Perlcellulose dar. Ihre Herstellung erfolgt bekanntermaßen mittels Sprühverfahren oder Suspensionsverfahren. Diese Verfahren sind durch drei Reaktionsschritte gekennzeichnet:

• - Verflüssigung der Cellulose oder eines ihrer Derivate,
• - Dispergieren der Celluloselösung in einem mit dieser Lösung nicht mischbaren Lösungsmittel,
• - Verfestigung der nach Reaktionsschritt zwei gebildeten kugelförmigen Partikel.

Nach dem Sprühverfahren wird die Celluloselösung mittels Düsen in Tröpfchen zerteilt, die in ein mit der Celluloselösung nicht mischbares Lösungsmittel eingetropft werden. Es existieren verschiedene Varianten. So werden z. B. nach DE 27 17 965, DE 197 55 353, EP 0 047 064, US 3 598 245, US 4 090 022, US 4 118 336, US 4 312 980, US 5 047 180, WO 99/31141 die in organischen Lösungsmitteln löslichen Celluloseester in wässrige Lösungen, denen gegebenenfalls noch Emulgatoren zugesetzt wurden, eingesprüht. Die sich dabei bildenden sphärischen Partikel der Celluloseester werden danach abfiltriert und müssen anschließend sorgfältig und langwierig gewaschen werden, um die organischen Lösungsmittel aus den Poren der Partikel zu entfernen. Zur Gewinnung der reinen, unmodifizierten Cellulosepartikel werden abschließend die Estergruppen durch Hydrolyse gespalten.

Umgekehrt werden nach DE 20 05 408, DD 118 887, DD 259 533, CS 172 640, EP 0 850 979, JP 73 21 738, JP 73 60 753, US 3 597 350, US 5 245 024, US 5 328 603, US 5 972 507 in wässrigen Lösungen lösliche Derivate der Cellulose in Lösungsmittel eingetropft bzw. dispergiert, in denen sie nicht löslich sind und somit unter geeigneten Bedingungen als sphärische Partikel, meist ebenfalls porös und kugelförmig, ausgefällt. In der Regel sind das chlorierte Kohlenwasserstoffe, aromatische Kohlenwasserstoffe oder Alkoholgemische. Auch diese sphärischen Cellulosederivate müssen sorgfältig zur Entfernung der organischen Lösungsmittel gewaschen und abschließend Hydrolyse­ bedingungen ausgesetzt werden, um reine, unmodifizierte Cellulosepartikel zu erhalten.

Die Herstellung der perlförmigen und porösen Partikel der Cellulose sind mit einer ganzen Reihe von Nachteilen verbunden. So war es bisher nicht möglich, unmodifizierte mikrokristalline oder faserförmige Cellulose unmittelbar in sphärische Partikel zu überführen, sondern es konnten nur lösliche Derivate dazu herangezogen werden. Diese löslichen Derivate der Cellulose stellen an sich schon hinsichtlich ihrer Synthese ein Problem dar. Die häufig für die Perlcelluloseherstellung verwendeten Viskoselösungen werden aus Cellulose, Alkalilauge und dem hochtoxischen und leicht entzündlichen Schwefelkohlenstoff hergestellt, ein Prozess, der mit erheblichen gesundheits- und umweltgefährdenden Risiken verbunden ist. Bei allen bekannten Verfahren zur Gewinnung der Perlcellulose müssen zudem organische Lösungsmittel verwendet werden, die teuer und überwiegend gesundheitsschädlich sind. Besonders nachteilig für diese Synthesemöglichkeiten zur Perlcelluloseherstellung ist jedoch, dass die Rückstände aus Chemikalien und Lösungsmitteln nur schwer und kostenaufwendig zu entsorgen sind. Des weiteren ist noch eine hydrolytische Nachbehandlung der sphärischen Partikel der Cellulosederivate erforderlich, wobei ebenfalls gesundheits- und umweltgefährdende Nebenprodukte (aus Xanthogenaten und Nebenprodukten der Viskoselösungen) entstehen, z. B. giftige Substanzen wie Schwefelkohlenstoff und Schwefelwasserstoff. Aus diesen Nachteilen erklärt sich, warum die Perlcellulosen (trotz billiger und leicht zugänglicher Ausgangsmaterialien zu ihrer Herstellung) als teure Hochwertprodukte bisher ebenfalls nur eine eingeschränkte Anwendung gefunden haben. Die herausragenden Eigenschaften der Perlcellulosen wie ihre hydrophilen Eigenschaften und - leicht einstellbaren - variablen Porositäten gehen mit den beschriebenen erheblichen Nachteilen bei der Herstellung einher, was ihre breite technische Anwendung bisher verhinderte.

Die Aufgabe der Erfindung bestand deshalb darin, ein geeignetes kostengünstiges und umweltfreundliches Verfahren zur Herstellung von sphärischen Partikeln aus natürlich vorliegenden, unlöslichen Kohlenhydraten oder chemisch modifizierten und unlöslichen Derivaten der Kohlenhydrate bzw. Compositmaterialien aus den genannten Kohlenhydraten zu entwickeln. Es sollen sphärische Kohlenhydratpartikel bereitgestellt werden, die leicht chemisch modifizierbar sind und somit eine breite Anwendungspalette ermöglichen. Die Erfindung wird gemäß den Ansprüchen realisiert.

Erfindungsgemäß werden sphärische Kohlenhydratpartikel gewonnen, indem zunächst mindestens ein hochmolekulares Kohlenhydrat in Pulver oder Faserform in einer wässrigen Harnstofflösung suspendiert wird. Alternativ können auch Derivate der hochmolekularen Kohlenhydrate als Ausgangsprodukte fungieren, ggf. auch Gemische mehrerer Kohlenhydrate und/oder entsprechender Derivate, wobei auch Kombinationen von Kohlenhydraten bzw. deren Derivaten mit festen Füllstoffen erfindungsgemäß als Ausgangsprodukte einsetzbar sind.

Die Reaktion erfolgt bevorzugt in einem beheizbaren Mischgefäß mit Durchmischungs- bzw. Rührmöglichkeit. Gegebenenfalls werden zur Optimierung der chemischen und physikalischen Eigenschaften des sphärischen Endproduktes noch nieder- oder hochmolekulare chemische Verbindungen, die löslich oder unlöslich in wässrigen und/oder organischen Lösungsmitteln sind, in die Suspension eingetragen. Anschließend wird das Wasser zunächst verdampft. Dieser Vorgang erfolgt bevorzugt unter Rühren und unter Temperaturerhöhung auf 80°C bis 120°C. Zur Schonung des Reaktorinhalts oder aus Gründen der Zeitersparnis wird gegebenenfalls ein Vakuum angelegt. Nach dem Entfernen des Wassers wird zur Reaktionsvervollkommnung die Temperatur weiter bis auf 200°C erhöht, vorzugsweise auf Temperaturen von 120°C bis 160°C.

Überraschend erfolgt eine Verformung des Reaktorinhalts zu sphärischen Partikeln in ellipsoider oder runder Form, die nach ihrer Aufarbeitung und Reinigung in wässrigen Lösungen oder organischen Lösungsmitteln formstabil bleiben und zu vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten, wie z. B. für Anwendungen als Sorptions-, Trenn- und Trägermaterialien auf zahlreichen wissenschaftlichen und technischen Gebieten einsetzbar sind.

Für die Herstellung der sphärischen Partikel der Kohlenhydrate können eine Vielzahl von hochmolekularen und unlöslichen Kohlenhydraten als Ausgangsprodukte verwendet werden, z. B. die Cellulosen, Stärken unterschiedlicher Herkunft, Pektine, Galaktomannane, Xylane und das aus Chitin gewonnene Chitosan. Erfindungsgemäß werden als hochmolekulare Kohlenhydrate bevorzugt Cellulose, Lignocellulose und Hemicellulose eingesetzt. Diese Kohlenhydrate stehen in großen Mengen zur Verfügung und sind chemisch noch nicht modifiziert. Alternativ können aber auch Derivate der unlöslichen Kohlenhydrate zur Bildung von sphärischen Partikeln eingesetzt werden, so z. B. Cellulosederivate wie z. B. Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Carboxymethylcellulose, Cellulose­ sulfat, Sulfoethylcellulose und Cellulosephosphat.

Zur Partikelbildung werden alle die genannten hochmolekularen Kohlenhydrate zunächst in einer Harnstoff­ lösung suspendiert. Die Gewichtsverhältnisse von Harnstoff zu Kohlenhydrat betragen gemäß der Erfindung 0,5 Gewichts­ anteil bis 5 Gewichtsanteile Harnstoff auf ein Gewichtsan­ teil Kohlenhydrat, vorzugsweise 2-3 Gewichtsanteile Harn­ stoff zu einem Gewichtsanteil Kohlenhydrat. Diese Harn­ stoffmenge wird in Wasser bzw. einer wässrigen Lösung gelöst, die außerdem auch inerte Fremdsalze oder Puffersub­ stanzen enthalten kann.

In einem ersten Schritt wird nach dem vorliegenden Verfahren zur Partikelbildung aus der Suspension von Kohlenhydrat und wässriger Harnstofflösung zuerst, das Wasser durch Verdampfen entfernt. Dies geschieht bei Temperaturen im Siedebereich des Wassers, bei Anlegen eines Vakuums auch darunter. Bei weiterem Erwärmen unter gleichzeitigem Rühren auf Temperaturen bis ca. 200°C, vorzugsweise auf Temperaturen von 120°C bis 160°C, erfolgt dann die Partikelbildung. Nach dem Abkühlen des Reaktorinhaltes werden die gebildeten sphärischen Partikel zur Entfernung überschüssigen Harnstoffs und von löslichen Reaktionsnebenprodukten nach bekannten Methoden gereinigt, z. B. durch Waschen mit kaltem und/oder heißem Wasser, verdünnten Laugen und Säuren und destilliertem Wasser bis zur neutralen Reaktion des Waschwassers. Nach den beschriebenen Waschschritten können die sphärischen Partikel als wässrige Suspension nach Korngrößen gesiebt werden.

In Form von wässrigen Suspensionen können die gewonnenen sphärischen Partikel der Kohlenhydrate bei 0°C bis 4°C bzw. bei Raumtemperatur, vorzugsweise in Gegenwart eines antibakteriellen Mittels, gelagert werden. Die sphärischen Partikel können auch im trockenen Zustand aufbewahrt werden. Dazu werden die feuchten Partikel entweder bei erhöhten Temperaturen im Umluftstrom getrocknet oder durch Lösungsmittelaustausch mit Methanol, Aceton und Trocknen bei Umgebungstemperatur oder nur unwesentlich erhöhten Temperaturen bzw. durch Verwendung eines Vakuums bei Umgebungstemperatur behandelt.

In einer Ausführungsvariante der Erfindung werden auch derivatisierte sphärische Partikel hochmolekularer Kohlenhydrate, vorzugsweise mit gebundenen Phosphatgruppen, hergestellt, wobei als Ausgangsprodukte unmodifizierte Kohlenhydrate dienen, insbesondere Cellulose ohne Ionenaustauschergruppen. Diese Modifizierung erfolgt erfindungsgemäß während des Partikelbildungsprozesses, in dem den Suspensionen aus den Kohlenhydraten und den Harnstofflösungen primäres Ammoniumphosphat und/oder sekundäres Ammoniumphosphat oder Phosphorsäure zugesetzt wird. Die Gewichtsverhälnisse der Ammoniumphosphate bzw. der Phosphorsäure zum Harnstoff werden auf 0,1 : 2 bis 0,1 : 20, vorzugsweise 1 : 2 bis 1 : 6 eingestellt. Die auf diese Weise hergestellten sphärischen Partikel mit Phosphatgruppen besitzen gute Ionenaustauschereigenschaften. Ihre Bindungskapazitäten gegenüber Schwermetallen betragen in Abhängigkeit vom Schwermetall 1, 2 bis 2.0 mmol Schwermetall pro Gramm sphärisches Partikel.

Auf einfache Weise lassen sich nach dem beschriebenen Verfahren weiterhin auch sphärische Partikel als so genannte Compositpartikel herstellen, das heißt, die sphärische Partikel setzen sich

• - aus mehreren hochmolekularen Kohlenhydraten und/oder ihren entsprechenden Derivaten zusammen oder sie bestehen aus
• - mindestens einem hochmolekularen Kohlenhydrat bzw. Derivaten davon und weiteren Feststoffen als Füllmaterial.

Als feste Füllstoffe können synthetische lösliche oder unlösliche Makromoleküle oder anorganische Verbindungen eingesetzt werden.

Die Herstellung dieser Art von sphärischen Compositpartikeln der Kohlenhydrate erfolgt in Analogie des bereits ausgeführten Verfahrens. So werden entweder Gemische von hochmolekularen Kohlenhydraten bzw. einzelne der oben genannten Kohlenhydrate oder Gemische der Kohlenhydrate mit synthetischen Makromolekülen, die vorzugsweise in Pulverform mit Korngrößen kleiner 200 µm vorliegen, oder mit anorganischen Verbindungen, die ebenso in Korngrößen kleiner 200 µm vorliegen, in die Harnstofflösungen eingetragen. Diese Gemische werden wie oben beschrieben unter den gleichen Reaktionsbedingungen in sphärische Compositpartikel mit hochmolekularen Kohlenhydraten als Bestandteil überführt.

Die Gewichtsverhältnisse von Harnstoff zu den vorstehend genannten Compositen betragen ebenfalls 0,5 bis 5 Gewichtsanteile Harnstoff in Wasser bzw. in mit inerten Fremdsalzen oder Puffersubstanzen versetztem Wasser zu einem Gewichtsanteil Composit, vorzugsweise im Gewichtsverhältnis 2 bis 3 Anteile Harnstoff zu 1 Anteil Gemisch.

Die gewichtsmäßigen Gehalte der einzelnen Bestandteile an Kohlenhydraten bzw. Kohlenhydrat und den zusätzlichen Feststoffen in einem Composit zur Herstellung von sphärischen Compositpartikeln sind in weiten Bereichen wählbar. Das zweite Kohlenhydrat bzw. einer der sonstigen Feststoffe wird in einer Menge von 5 bis 200 Masse-%, vorzugsweise 40% bis 100%, bezogen auf ein ausgewähltes Kohlenhydrat, in die Compositzusammensetzung eingebracht.

Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele für solche Compositpartikel in sphärischer Form aus reinen, hochmolekularen Kohlenhydraten sind die Partikel aus Cellulose und den anderen genannten Cellulosederivaten mit Ionenaustauschergruppen bzw. Cellulose und Chitosan.

Das Verfahren hat dabei den großen Vorteil, dass sphärische Kohlenhydratpartikel mit Ionenaustauschereigenschaften bereits während der Reaktion im Reaktor gebildet werden und nicht durch nachträgliche chemische Modifikationen, wie sonst üblich für die Ionenaustauscher auf Cellulosebasis, hergestellt werden müssen. Die Bindungskapazitäten dieser Ionenaustauscher gegenüber Schwermetallen liegen in Abhängigkeit von den Konzentrationen der einzelnen Komponenten der Kohlenhydrate und den Aufarbeitungsmethoden im Bereich von 0,2 bis 0,8 mmol Schwermetall pro Gramm Ionenaustauscher.

Weitere Varianten für erfindungsgemäße sphärische Kohlenhydratpartikel mit Feststoffen als Füllmaterial sind:

• 1. Compositpartikel, hergestellt aus hochmolekularen Kohlenhydraten (bevorzugt aus Cellulose) und in wässrigen Lösungen oder organischen Lösungsmitteln löslichen Polymeren, wie z. B. Polyvinylalkohol, Polyethylenglykol und seine Ether, Polypropylenglykol und seine Ether, Polyvinylpyrrolidon und unvernetztem Polystyrol. Zu ihrer Herstellung werden die löslichen Polymeren den Kohlenhydraten in Pulverform mit Korngrößen kleiner 200 µm zugemischt, wobei die Mengen analog denen sind, die für Compositpartikel aus Kohlenhydraten allein gelten. In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung können nach der Reaktion (Bedingungen wie oben beschrieben) im Reaktor und der Aufarbeitung der Partikel die löslichen Polymeren aus den sphärischen Partikeln herausgelöst werden, die wasserlöslichen Polymere mit wässrigen Lösungen und unvernetztes Polystyrol z. B. mit Aceton oder Nitromethan. Auf diese Weise werden poröse bis hochporöse Perlmaterialien, bevorzugt Perlcellulosen erhalten. Da die löslichen Polymere in verschiedenen Molekulargewichten erhältlich sind, können die Perlmaterialien, insbesondere die Perlcellulosen, mit unterschiedlichen Porengrößen und Porenvolumina auf diesem Wege gewonnen werden.
• 2. Compositpartikel, hergestellt aus hochmolekularen Kohlenhydraten (bevorzugt aus Cellulose) und weitgehend unlöslichen Polymeren, wie z. B. die Pulver mit Korngrößen kleiner 200 µm der vernetzten Ionenaustauscher des Polystyrens und der Acrylsäure, des Polyvinylpyridins und Polyvinylimidazols oder des Acrylnitrils. Die Mengen der einzelnen Bestandteile sind die gleichen wie die zuvor bei den anderen Varianten beschriebenen. Nach der Reaktion und dem Aufarbeiten werden sphärische Partikel mit interessanten Eigenschaften erhalten. So können diese sphärischen Compositpartikel z. B. als Ionenaustauscher eingesetzt werden oder als selektiv spezifische Adsorbentien zur Proteinbindung verwendet werden oder in einfacher Weise zu weiteren Derivaten der Kohlenhydrate chemisch modifiziert werden.
• 3. Compositpartikel, hergestellt aus hochmolekularen Kohlenhydraten (bevorzugt Cellulose) und Adsorptionsmitteln wie z. B. pulverförmiger Aktivkohle, pulverförmigem Bentonit oder pulverförmigen Zeolithen, die in gleicher Weise hergestellt werden wie die zuvor beschriebenen. Dabei werden Compositpartikel erhalten, deren Adsorptionseigenschaften vergleichbar denen der reinen Adsorptionsmittel sind. Darüber hinaus haben diese sphärischen Compositpartikel den Vorteil, dass sie wesentlich hydrophiler und besser mit Wasser benetzbar sind.
• 4. Compositpartikel, hergestellt aus hochmolekularen Kohlenhydraten (bevorzugt aus Cellulose) und anorganischen Verbindungen, wie z. B. Alkali- bzw. Erdalkalikarbonaten oder magnetischen Eisenspänen, hergestellt wie zuvor beschrieben. Die Partikel mit magnetischen Eisenspänen (z. B. Magnetit) besitzen magnetische Eigenschaften und können aus Lösungen mit Magneten abgetrennt werden. Alkali- oder Erdalkalikarbonate enthaltende Compositpartikel können in einer Ausführungsvariante mit Säuren behandelt werden, um die Karbonate aus den sphärischen Partikeln herauszulösen. Dadurch entstehen in den sphärischen Partikeln Hohlräume und Kanäle und somit sphärische Partikel mit kleinen Poren und geringen Porenvolumina.

Die erfindungsgemäßen Methoden zur Poren- und Porenvoluminabildung, zur Magnetisierung und zur Ionenaustauscherbildung sind auf alle erfindungsgemäßen sphärischen Partikel, einschließlich der Compositpartikel, anwendbar, indem den Reaktionsgemischen zur Partikelbildung zusätzlich entweder Carbonate und/oder magnetische Materialien und/oder primäres Ammoniumphosphat und/oder sekundäres Ammoniumphosphat oder Phosphorsäure zugesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren besitzt die folgenden Vorteile:

• 1. Zur Partikelbildung können die unlöslichen Kohlenhydrate als Ausgangsprodukte eingesetzt werden und müssen nicht erst in lösliche Derivate überführt werden.
• 2. Es werden zur Bildung von sphärischen Partikeln keine organischen Lösungsmittel benötigt, weder zur Herstellung noch zur Reinigung.
• 3. Es können sphärische Partikel unterschiedlichster Struktur (Porengröße, Porenvolumen) und Zusammensetzung (Compositpartikel) bereitgestellt werden.
• 4. Sowohl während als auch nach der Umsetzung zu den sphärischen Partikeln im Reaktor können leicht Derivate mit gewünschten Eigenschaften synthetisiert werden.

Die so hergestellten sphärischen Kohlenhydratpartikel können außerdem nach ihrer Bildung sehr leicht chemisch modifiziert werden. Alle für Cellulosen, Perlcellulosen und sonstige Kohlenhydrate beschriebenen Verfahren zu deren Derivatisierung sind auch auf die erfindungsgemäßen sphärischen Partikel anwendbar. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität können sie z. B. leicht mit bifunktionellen Verbindungen wie Formaldehyd unter sauren Bedingungen, Epichlorhydrin unter alkalischen Bedingungen oder Diisocyanaten unter wasserfreien Bedingungen in organischen Lösungsmitteln vernetzt werden. Durch Einführung funktioneller Gruppen durch polymeranaloge Reaktionen können nachträglich Kationen- bzw. Anionenaustauscher hergestellt werden oder funktionelle Gruppen zur Immobilisierung biologisch aktiver Verbindungen bzw. selektiv spezifischer Adsorbentien.

Erfindungsgemäß werden mit den sphärischen Partikeln bevorzugt Sorptions, Trenn- und Trägermaterialien mit breiten Anwendungsmöglichkeiten in Chemie, Biochemie, Biotechnologie, Medizin, Pharmazie und Umweltschutz geschaffen. Diese sphärischen Partikel sind auf Grund ihrer herausragenden hydrophilen Eigenschaften der eingesetzten Kohlenhydrate, die auf die Partikel übertragen werden, gut mit Wasser benetzbar. Diese Eigenschaft erleichtert das Arbeiten in wässrigen Lösungen sehr. Sie sind darüber hinaus wegen der billigen Ausgangsmaterialien zu ihrer Herstellung, der einfachen Reaktionsführung und Aufarbeitungstechniken sehr preiswert. Auf Grund ihres niedrigen Preises im Vergleich zu den bisher bekannten Trägermaterialien auf Kohlenhydratbasis können sie z. B. zur Schwermetallentfernung oder zur Eliminierung von organischen Schadstoffen aus der Umwelt bzw. zur Wasserentsalzung eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend durch Beispiele erläutert, die sie jedoch nicht einschränken sollen.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

12 kg Harnstoff werden im Rührreaktor in 8 Liter deionisiertem Wasser bei 40°C bis 60°C gelöst. In die Harnstofflösung werden 4 kg faserige Cellulose eingetragen, und die Suspension wird durch Rühren gut durchmischt. Mit dem Mischvorgang wird die Suspension auf 100°C bis 110°C erhitzt. Bei dieser Temperatur wird weiter gerührt, bis das Wasser überwiegend verdampft ist. Danach wird die Reaktorinnentemperatur auf 140°C bis 150°C erhöht, und diese Temperatur wird 1 Stunde gehalten. Auch während dieses Reaktionsschrittes wird der Reaktorinhalt durch ständiges Rühren durchmischt, so dass die Bildung der sphärischen Partikel erfolgen kann. Nach erfolgter Reaktion wird der Reaktorinhalt auf Umgebungstemperatur abgekühlt und in eine mit deionisiertem Wasser gefüllte Säule überführt. Die sphärischen Partikel werden darin mit deionisiertem Wasser, 1n Natronlauge, deionisiertem Wasser, 1n Salzsäure und deionisiertem Wasser gewaschen und nach dem Waschvorgang bei 4°C gelagert. Nach dem Trocknen durch Lösungsmittelaustausch mit Methanol und Aceton bei 30°C im Vakuum hat die Perlcellulose ein Porenvolumen von durchschnittlich 15%.

Beispiel 2

Zur Vernetzung der nach Beispiel 1 hergestellten Perlcellulose werden 250 g Reaktorinhalt in 500 ml Leitungswasser suspendiert, auf eine Fritte gebracht und dort mit 1 l deionisiertem Wasser und 500 ml 1n Salzsäure gewaschen. Der feuchte Rückstand wird in ein Becherglas überführt, und es werden 100 ml Formaldehyd (37%ig) und 100 ml konzentrierte Salzsäure addiert. Die Suspension wird 3 Stunden bei Zimmertemperatur gerührt, danach filtriert und mit deionisiertem Wasser und Methanol gewaschen. Die vernetzte Perlcellulose wird bei 50°C getrocknet.

Beispiel 3

Zur Herstellung einer aminogruppenhaltigen Perlcellulose werden 10 ml der nach Beispiel 1 hergestellten Perlcellulose auf einer Fritte mit 100 ml Methanol und 200 ml trockenem Aceton gewaschen. Die acetonfeuchte Perlcellulose wird in 50 ml trockenem Aceton suspendiert. Zur Suspension werden 1 ml Triethylamin und danach bei 0°C 3 ml Hexamethylendiisocyanat in 10 ml trockenem Aceton addiert. Die Suspension wird 1 Stunde gerührt und danach in destilliertes Wasser von Raumtemperatur eingetragen. Die wässrige Suspension wird 60 Minuten bei 50°C gerührt, danach filtriert, gewaschen mit deionisiertem Wasser und Aceton und bei Raumtemperatur getrocknet. Der Test auf primäre Aminogruppen mit Trinitrobenzolsulfonsäure ist positiv. Die Perlcellulose wird rotorange angefärbt. Nach Aktivierung mit Glutaraldehyd werden an der aminogruppenhaltigen Perlcellulose 0,2 mg Methämoglobin pro Milliliter Träger gebunden. Das immobilisierte Methämoglobin besitzt pseudoperoxidatische Aktivität.

Beispiel 4

20 ml der nach Beispiel 2 vernetzten Perlcellulose werden in 20 ml Aceton suspendiert, und danach werden 2 ml 40%iger Natronlauge addiert. 4,73 g Chloressigsäure werden in 50 ml Aceton gelöst und zur Lösung werden 5 ml 40%ige Natronlauge gegeben, wobei ein weißer Niederschlag ausfällt. Diese Suspension wird bei 0°C zur Perlcellulose addiert. Das Gemisch aus dem Natriumsalz der Chloressigsäure und der aktivierten Perlcellulose in Aceton wird auf Zimmertemperatur gebracht und danach auf 80°C erwärmt. Dabei wird das Aceton abdestilliert. Es wird 20 Minuten weiter gerührt. Die mit Carboxymethylgruppen modifizierte Perlcellulose wird abfiltriert und mit deionisiertem Wasser, 0,1 n Salzsäure und deionisiertem Wasser neutral gewaschen. Die erhaltene CM-Perlcellulose hat eine Bindungskapazität von 0,2 bis 0,4 mmol Kupfer pro Gramm Träger.

Beispiel 5

Zur Bildung eines Kationenaustauschers während der Bildung der sphärischen Partikel im Reaktor und nicht nachträglich durch polymeranaloge Reaktion, wie im vorstehenden Beispiel beschrieben, werden 12 kg Harnstoff im Rührreaktor mit 8 l deionisiertem Wasser bei 40°C bis 60°C zusammen mit 4 kg ortho-Phosphorsäure (2,4 l) gelöst. Zur Lösung werden 4 kg faserige Cellulose zugesetzt. Die weitere Durchführung der Reaktion erfolgt wie im Beispiel 1 beschrieben. Aufgearbeitet wird der Reaktorinhalt durch Waschen der sphärischen Partikel mit deionisiertem Wasser, 0,1 n Salzsäure und deionisiertem Wasser. Die entstandene Perlcellulose mit Phosphatgruppen als kationenbindende Gruppen hat nachfolgend aufgeführte Bindungskapazitäten in mmol pro Gramm Träger gegenüber Schwermetallen (bestimmt im Säulenversuch und mit der AAS):
Cu = 1,5 bis 2,0; Ni = 1,3 bis 1,5; Co = 1,3 bis 1,5; Zn = 1,6 bis 2,0; Pb = 1,4 bis 1,5; Mn = 1, 2 bis 1,4. Dreiwertige Wertigkeitsstufen von Metallen wie Eisen oder Chrom werden in geringeren Mengen gebunden. Die Bindungskapazitäten für diese Metalle liegen im Bereich von 0,5 bis 0,8 mmol Metall pro Gramm Träger.

Die Partikelgrößenverteilung für diesen Schwermetalladsorber ist: < 1 mm = 12,2%, 0,5 bis 1 mm = 42, 4%, 0,25 bis 0,5 mm = 33,9% und < 0,25 mm = 11,6%.

Beispiel 6

Ein Gemisch von 2 kg faseriger Cellulose, 2 kg Chitosan und 8 kg Harnstoff wird wie im Beispiel 1 beschrieben in sphärische Compositpartikel überführt.

500 g des Reaktorinhaltes werden in eine mit deionisiertem Wasser zur Hälfte gefüllten Chromatographiesäule gefüllt und nacheinander mit 1 l deionisiertem Wasser, 250 ml 0,5 n Natronlage, 500 ml auf 60°C erwärmte 0,5 n Natronlauge, 250 ml deionisiertem Wasser, 250 ml 1 n Salzsäure gewaschen. Die feuchte Compositverbindung aus Cellulose und Chitosan in sphärischer Form wird in ein Becherglas überführt, 200 ml 5 n Salzsäure werden addiert und die Suspension wird auf 0°C bis 4°C abgekühlt. Unter Rühren wird zu der Suspension eine Lösung von 2 g Natriumnitrit in 75 ml deionisiertem Wasser gegeben. Nach der Zugabe des Natriumnitrits wird die Temperatur der Suspension auf Zimmertemperatur gebracht, und bei dieser Temperatur wird noch 20 Minuten weitergerührt. Die sphärische Compositverbindung wird dann abfiltriert und mit 0,1 n Salzsäure, deionisiertem Wasser, 0,1 n Natronlauge und deionisiertem Wasser gewaschen. Die Reaktion auf die primären Aminogruppen des Chitosans in den Compositpartikeln mit Trinitrobenzolsulfonsäure ist positiv (Rotorangefärbung). Die Compositpartikel binden Schwermetalle, eine Eigenschaft des Chitosans in den Partikeln. Z. B. wird Kupfer an den Partikeln, die nach dieser Vorschrift hergestellt wurden, in einer Menge von 0,45 mmol pro Gramm Partikel gebunden.

Beispiel 7

Aus 2 kg faseriger Cellulose und 500 g pulverisiertem (Kugelmühle) und gesiebtem (die Fraktion mit einer Korngröße kleiner 200 µm wird eingesetzt), stark saurem Kationenaustauscher vom Polystyrentyp und 5 kg Harnstoff werden nach Beispiel 1 Compositpartikel hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Reaktionstemperatur im Reaktor von 125°C nicht überschritten wird. Der Reaktorinhalt wird mit deionisiertem Wasser und 0,1 n Salzsäure gewaschen.

Gegenüber Schwermetallen besitzt dieser Absorber eine Bindungskapazität von 0,8 bis 1,2 mmol pro Gramm Compositpartikel.

In gleicher Vorgehensweise können auch sphärische Compositpartikel aus faseriger Cellulose und Aktivkohle oder magnetischem Eisenpulver (Magnetit) (magnetische Partikel werden aber nicht mit 0,1 n Salzsäure gewaschen, sondern nur mit deionisiertem Wasser) hergestellt.

Beispiel 8

Aus 2 kg faseriger Cellulose und 400 g Polyvinylpyrrolidon (MG: 40 000) und 5 kg Harnstoff werden wie im Beispiel 1 beschrieben, jedoch abweichend von dortiger Herstellungsvorschrift bei einer kurzfristigen, zehnminütigen Reaktionshöchsttemperatur von 140°C, sphärische Compositpartikel hergestellt. Der Reaktorinhalt wird mit kaltem und 70°C-heißem, deionisiertem Wasser gewaschen, um das Polyvinylpyrrolidon vollständig aus den Partikeln herauszulösen. Auf diese Weise wird eine poröse Perlcellulose mit einem Porenvolumen von 80% gebildet, die zur Verbesserung ihrer mechanischen Stabilität und zur Modifikation der Porenstruktur mit Epichlorhydrin in Gegenwart von Natronlauge nach Literaturvorschriften (Das Papier, 12 (1993) 703-710) vernetzt werden kann.

Beispiel 9

5 g der nach Beispiel 8 hergestellten porösen und mit Epichlorhydrin vernetzten Perlcellulose werden mit 100 ml Aceton gewaschen und in 100 ml des gleichen Lösungsmittels suspendiert. Zur Suspension werden 5 ml 40%ige Natronlauge addiert und die Suspension wird 30 Minuten bei Zimmertemperatur gerührt. Danach werden 5 g Tosylchlorid in 50 ml Aceton gelöst und bei Umgebungstemperatur zur Suspension addiert. 10 Minuten wird bei Zimmertemperatur weitergerührt und danach 90 Minuten bei 80°C. Das Reaktionsgemisch wird abgekühlt, filtriert und das Tosylat wird mit Aceton und Äthanol gewaschen.

Der Schwefelgehalt des Tosylates der Perlcellulose beträgt 1,23%.

3,12 g Diaminopropandihydrochlorid werden in 100 ml Äthanol suspendiert, und unter Rühren werden 2 ml 40%ige Natronlauge addiert. Zur Suspension werden 3 g vorstehendes Tosylat addiert, und die Suspension wird 3 Stunden bei 80°C gerührt. Danach werden zur Suspension noch einmal 2 ml 40%ige Natronlauge zugetropft, und es wird 60 Minuten bei der gleichen Temperatur weitergerührt. Das Reaktionsgemisch wird abgekühlt und mit Äthanol, deionisiertem Wasser, Aceton gewaschen und getrocknet. Das Aminoderivat der porösen Perlcellulose enthält keinen Schwefel mehr und der Test auf primäre Aminogruppen mit Trinitrobenzolsulfonsäure ist positiv (Rotorangefärbung).

Nach der gleichen Vorschrift kann aus dem Tosylat der Perlcellulose und dem Dihydrochlorid des 5-Amino-8- hydroxychinolin ein Adsorber für Schwermetalle hergestellt werden, der in der Lage ist, bis zu 0,4 mmol Schwermetall pro Gramm Träger zu binden.

Claims (29)

1. Verfahren zur Herstellung von formstabilen, sphärischen Kohlenhydratpartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein faseriges oder pulveriges, hochmolekulares und unlösliches Kohlenhydrat und/oder mindestens ein chemisch modifiziertes Derivat davon in einer wässrigen Harnstofflösung suspendiert wird, das Wasser verdampft wird, die Temperatur zur Bildung der sphärischen Partikel auf bis zu 200°C erhöht wird und die entstandenen sphärischen Partikel nach an sich bekannten Methoden gereinigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspendierung in der wässrigen Harnstofflösung in Kombination mit mindestens einem festen Füllstoff und/oder einem festen oder flüssigen Modifizierungsreagenz erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zur Bildung der sphärischen Partikel auf 120-160°C erhöht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als hochmolekulare Kohlenhydrate Cellulosen, Stärken unterschiedlicher Herkunft, Pektine, Galaktomannane, Xylane und Chitosan, vorzugsweise Cellulose, Lignocellulose und Hemicellulose, eingesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als chemisch modifizierte Derivate der hochmolekularen Kohlenhydrate Cellulosederivate, vorzugsweise Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Carboxymethylcellulose, Cellulosesulfat, Sulfoethyl­ cellulose und Cellulosephosphat, eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als feste Füllstoffe lösliche oder unlösliche, nieder- oder hochmolekulare, synthetische Makromoleküle oder anorganische Verbindungen eingesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsverhältnisse von Harnstoff zu Kohlenhydrat oder dem Kohlenhydratgemisch ggf. in Kombination mit dem festen Füllstoff 0,5-5 Anteile Harnstoff zu einem Anteil Kohlenhydrat oder Gemisch betragen, vorzugsweise 2-3 Anteile Harnstoff : 1 Anteil Kohlenhydrat oder Gemisch.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wässrigen Harnstofflösung inerte Fremdsalze oder Puffersubstanzen zugesetzt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die sphärischen Partikel aus unmodifizierten Kohlenhydraten während ihrer Herstellung chemisch derivatisiert oder modifiziert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung sphärischer Partikel mit Phosphatgruppen den Suspensionen primäres und/oder sekundäres Ammoniumphosphat oder Phosphorsäure zugesetzt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsverhältnisse der Ammoniumphosphate oder der Phosphorsäure zum Harnstoff 0,1 : 2 bis 0,1 : 20, vorzugsweise 1 : 2 bis 1 : 6, betragen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Kohlenhydrat oder Derivat davon und/oder ein fester Füllstoff in einer Menge von 5-200 Masse-%, vorzugsweise in einer Menge von 40-100 Masse-%, bezogen auf das erste Kohlenhydrat, vorliegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe in Pulverform mit einer Korngröße < 200 µm zugegeben werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als feste Füllstoffe lösliche Polymere eingesetzt werden, vorzugsweise Polyvinylalkohol, Polyethylenglykol und seine Ether, Polypropylenglykol und seine Ether, Polyvinyl­ pyrrolidon und unvernetztes Polystyrol.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als feste Füllstoffe unlösliche Polymere eingesetzt werden, vorzugsweise vernetzte Ionenaustauscher des Polystyrens, der Acrylsäure, des Polyvinylpyridins, des Polyvinylimidazols und des Acrylnitrils.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als feste Füllstoffe Adsorptionsmittel eingesetzt werden, vorzugsweise Aktivkohle, Bentonit und Zeolithe.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als feste Füllstoffe anorganische Verbindungen eingesetzt werden, vorzugsweise Alkali- und Erdalkalicarbonate sowie magnetische Eisenspäne.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als hochmolekulares Kohlenhydrat Cellulose eingesetzt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass lösliche feste Füllstoffe nach Partikelbildung aus den Partikeln wieder entfernt werden, wodurch poröse bis hochporöse Partikel entstehen.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung von Partikeln mit kleinen Poren und geringen Porenvolumina dem Reaktionsgemisch Carbonate zugesetzt werden, die anschließend wieder entfernt werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung von magnetisierten Partikeln dem Reaktionsgemisch magnetische Materialien zugesetzt werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die sphärischen Partikel nach ihrer Bildung chemisch derivatisiert oder modifiziert werden.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Derivatisierung nach an sich üblichen Methoden erfolgt, vorzugsweise durch Vernetzung mit bifunktionellen Verbindungen oder durch Einführung funktioneller Gruppen.

24. Sphärische Partikel hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23.

25. Sphärische Partikel nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie hochmolekulare Einzel- Kohlenhydratpartikel oder Compositpartikel aus einem hochmolekularen Kohlenhydrat in Kombination mit mindestens einem weiteren Kohlenhydrat und/oder Derivat davon und/oder einem festen Füllstoff darstellen.

26. Sphärische Partikel nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass sie poröse Kohlenhydratpartikel darstellen, aus denen ein fester Füllstoff wieder entfernt wurde.

27. Sphärische Partikel nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass sie hochmolekulare Kohlenhydratpartikel mit gebundenen Phosphatgruppen darstellen.

28. Sphärische Partikel nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass sie Perlmaterialien, vorzugsweise Perlcellulose, darstellen.

29. . Verwendung von sphärischen Partikeln nach einem der Ansprüche 1 bis 28 als Sorptions, Trenn- und Trägermaterialien für chemische, biochemische, biotechnologische, medizinische, pharmazeutische und umweltschutztechnische Zwecke.