DE3880273T2

DE3880273T2 - Poroese anorganische materialien.

Info

Publication number: DE3880273T2
Application number: DE8888311023T
Authority: DE
Inventors: Alan Johnson Brown; Roger James
Original assignee: ECC International Ltd
Current assignee: Imerys Minerals Ltd
Priority date: 1987-11-27
Filing date: 1988-11-22
Publication date: 1993-07-29
Anticipated expiration: 2008-11-23
Also published as: US5055429A; EP0318236B1; GB8827318D0; AU613982B2; AU2580288A; BR8806221A; JPH01264978A; EP0318236A2; CA1321783C; DE3880273D1; GB2212795A; EP0318236A3; GB2212795B

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein poröses anorganisches Material und auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Materials. Das erfindungsgemäße poröse Material ist zum Immobilisieren biochemischer Makromoleküle wie Enzymen oder anderen Proteinen ideal geeignet.
In der GB-2153807A ist ein teilchenförmiges poröses Material angegeben, in welchem im wesentlichen alle Teilchen in ihrem Durchmesser nicht kleiner als 5 um und nicht größer als 1 mm sind und in welchem jedes Teilchen vorwiegend aus einer offenen, dreidimensionalen Matrix von Mullitkristallen bestehen, welche zwischen sich miteinander in Verbindung stehende Poren mit einer Weite von 5 nm bis etwa 2 um bilden. Es sind auch Verfahren zum Herstellen solcher Teilchen beschrieben. Im allgemeinen sind die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Teilchen unregelmäßig und (wie in Fig. 1 dieser Anmeldung gezeigt ist) in ihrem Aussehen "klobig", wobei diese Teilchen durch Calcinieren einer Kaolintonmasse bei hoher Temperatur und anschließendes Auslaugen mittels eines Alkalis hergestellt werden. Bei Verwendung des in der GB-2153807A beschriebenen Verfahrens werden Teilchen unregelmäßiger Form erhalten. Weiters ist in der GB-2153807A ein Verfahren beschrieben, bei welchem eine 62 Gew.-% trockenen Kaolin enthaltene Kaolintonsuspension durch Sprühtrocknen zu hohlen sphärischen Teilchen verarbeitet wird, welche anschließend calciniert und ausgelaugt werden. Die gemäß den in der GB-2153807A beschriebenen Verfahren hergestellten Teilchen besitzen zumindest zwei Nachteile. Erstens sind die unregelmäßig geformten oder klobigen Teilchen als Packungsmaterial, wofür sphärische Teilchen bevorzugt werden, für eine Kolonne nicht besonders geeignet und zweitens können die nach den einen Sprühtrocknungsschritt einschließenden Verfahren hergestellten hohlen sphärischen Teilchen nicht wirksam als Packungsmaterial oder als Träger für biologische Makromoleküle wie Proteine verwendet werden, da deren innerer Hohlraum keine Stützfunktion ausüben kann.
Es ist deshalb ein Ziel dieser Erfindung ein zum Immobilisieren biologischer Makromoleküle geeignetes poröses Material zu schaffen.
Sowohl die EP-0130734 als auch die EP-0187007 bezieht sich auf die Herstellung von porösem Mullit für die Verwendung als Träger von Edelmetallkatalysatoren.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein poröses anorganisches Material geschaffen, welches für die Verwendung als Trägermaterial für biologische Makromoleküle geeignet ist und im wesentlichen sphärische Teilchen eines keramischen Aluminosilikatmaterials enthält, wobei im Inneren der Teilchen vorhandene Hohlräume nicht mehr als 10% des Volumens des Teilchens beanspruchen, jedes Teilchen einen Durchmesser im Bereiche von 5 um bis 5 mm besitzt und vorwiegend aus einer offenen dreidimensionalen Matrix von Nadeln des keramischen Materials besteht, jede der Nadeln eine Länge von 2 bis 20 um und eine Dicke im Bereiche von etwa 0,2 bis 2 um besitzt und die keramischen Nadeln zwischen sich miteinander in Verbindung stehende Poren mit einer Weite von 0,1 bis 5 um bilden.
Vorzugsweise beansprucht jeder der in einem der Teilchen vorhandenen inneren Hohlräume nicht mehr als 5% des Volumens des Teilchens. Der im vorliegende Falle verwendete Begriff "innerer Hohlraum" soll als ein Hohlraum angesehen werden, dessen Durchmesser größer ist als etwa 10% des Durchmessers des Mikrokügelchens.
Vorzugsweise ist das keramische Aluminosilikatmaterial Mullit.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines porösen anorganisschen Materials geschaffen, bei welchem Verfahren
a) eine wässerige Suspension eines porösen anorganischen Materials hergestellt wird, welches Aggregate von Plättchen eines Aluminosilikatmaterials mit einem Molverhältnis von SiO&sub2;: Al&sub2;O&sub3; von zumindest 0,75:1 enthält, wobei die Suspension, bezogen auf Trockengewicht, 20% bis 40% eines anorganischen Materials und, bezogen auf das Gewicht des trockenen anorganischen Materials, 20 Gew.-% eines hydrophilen organischen Polymers enthält,
b) die Suspension unter Ausbildung im wesentlichen kugelförmiger Mikrokügelchen mit einem Durchmesser im Bereiche von 5 um bis 5 mm sprühgetrocknet wird, wobei in einer Mikrokugel enthaltene innere Hohlräume nicht mehr als 10% des Volumens der Mikrokugel beanspruchen,
c) die sprühgetrockneten Mikrokügelchen bei einer Temperatur im Bereiche von 1300ºC bis 1800ºC während zumindest 1 h calciniert werden,
d) die calcinierten Mikrokügelchen bei einer Temperatur von zumindest 50ºC mit einer konzentrierten wässerigen Lösung eines Alkalimetallhydroxids behandelt werden, womit Kieselsäure unter Entstehung einer offenen dreidimensionalen Matrix von Nadeln des keramischen Materials entfernt wird, wobei jede der Nadeln eine Länge im Bereiche von 2 bis 20 um und eine Dicke im Bereiche von etwa 0,2 bis 2 um besitzt und die keramischen Nadeln zwischen sich miteinander in Verbindung stehende Poren mit einer Weite von 0,1 bis 5 um bilden,
e) die mit dem Alkalimetallhydroxid behandelten Mikrokügelchen gewaschen werden bis das Waschmedium im wesentlichen frei von Silikat- und Alkalimetallionen ist und
f) das in Stufe e) erhaltene gewaschene Produkt entwässert und getrocknet wird, um im wesentlichen sphärische Mikrokügelchen zu erhalten, wobei im Inneren einer Mikrokugel vorhandene Hohlräume nicht mehr als 10% des Volumens der Mikrokugel beanspruchen.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine gepackte Kolonne geschaffen, in welcher das Packungsmaterial ein teilchenförmiges poröses Material gemäß dem ersten Aspekt dieser Erfindung ist.
Gemäß einem vierten Aspekt dieser Erfindung wird ein Verfahren zum Abstützen biologischer Makromoleküle geschaffen, bei welchem die Makromoleküle im Gerüst der miteinander in Verbindung stehenden Poren eines porösen anorganischen Materials gemäß dem ersten Aspekt dieser Erfindung adsorbiert werden.
Das hydrophile organische Polymer kann beispielsweise ein in Wasser dispergierbares synthetisches Polymer wie Poly(vinylacetat) oder Poly(vinylalkohol) oder ein in Wasser dispergierbares natürliches Polymer, beispielsweise ein solches Polymer auf Basis von Kohlehydrat wie Dextran, Stärke, Agar, Guargummi, Hydroxyäthylcellulose oder Natriumcarboxymethylcellulose oder ein solches Polymer auf Basis von Protein wie Casein oder Gelatine sein. Dieses hydrophile Polymer wird vorzugsweise in einer Menge von zumindest 1 Gew.-% des trockenen anorganischen Materials verwendet. Das hydrophile Polymer regelt die Größe der beim Sprühtrocknen entstehenden Tröpfchen durch Erhöhung der Viskosität der Suspension, wodurch höhere Konzentrationen an Plättchen vorgetäuscht werden. Dieses Polymer stört trotz seiner viskositätserhöhenden Wirkung nicht das Sprühtrocknen.
In Stufe b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Suspension aus Stufe a) vorzugsweise dadurch sprühgetrocknet, daß die Suspension in ein geeignetes Gefäß gesprüht wird, in welchem heiße Gase umgewälzt werden.
Das als Ausgangsstoff verwendete Aluminosilikat kann aus Kyanit, Sillimanit und Andalusit, welche allesamt durch die chemische Formel Al&sub2;O&sub3;.SiO&sub2; veranschaulicht werden können, Dumortierit, welcher durch die chemische Formel 8Al&sub2;O&sub3;.B&sub2;O&sub3;.6SiO&sub2;.H&sub2;O veranschaulicht werden kann, Tonmineralien der Kanditgruppe, welche durch die chemische Formel Al&sub2;O&sub3;.2SiO&sub2;.2H&sub2;O veranschaulicht werden können, und Pyrophyllit, welcher durch die chemische Formel Al&sub2;O&sub3;.4SiO&sub2;. .H&sub2;O veranschaulicht werden kann, ausgewählt werden. Andere als Ausgangsstoff mögliche Aluminosilikate sind unter anderen Topas, Pinit, Illit und Tonmineralien der Smectitklasse. Es ist auch möglich als Ausgangsstoff für ein Aluminosilikatmaterial ein Gemisch aus einem tonerdereichen Material und einem kieselsäurereichen Material oder ein Gemisch aus im wesentlichen reiner Tonerde und Kieselsäure zu verwenden, soferne das Molverhältnis von SiO&sub2;:Al&sub2;O&sub3; in jedem Falle zumindest 0,75:1, und vorzugsweise zumindest 1:1, beträgt. Besonders geeignet sind Tonmineralien der Kanditklasse, u.zw. Kaolinit, Dickit, Nacrit und Halloysit, und insbesondere ein Kaolinton, welcher vorwiegend aus Kaolin besteht.
Alternativ kann der Ausgangsstoff ein Magnesiumaluminiumsilikat wie Talk sein. In diesem Falle besteht nach Durchführung der obigen Schritte a) bis f) das Produkt aus Mikrokügelchen von Cordierit der chemischen Formel 2MgO.2Al&sub2;O&sub3;.5SiO&sub2;.
Es ist am stärksten bevorzugt in Stufe a) des erfindungsgemäßen Verfahrens als Ausgangsstoff das Aluminosilikat Kaolin oder Metakaolin zu verwenden. Die calcinierten und ausgelaugten Mikrokügelchen sind dann von Mullitkristallen gebildet.
Es ist ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß die in Stufe a) eingesetzte wässerige Suspension auf Basis eines Tonmaterials relativ kleine Plättchen des Aluminosilikatmaterials enthält. Ohne sich an eine Theorie binden zu wollen, wird angenommen, daß die Tröpfchen der Suspension in der Sprühtrocknungskammer zunächst eine dampfdurchlässige Außenhaut bilden, so daß im Inneren des Tröpfchens entstandener Dampf durch die Außenhaut relativ langsam und in gesteuerter Weise entweicht und damit das sprühgetrocknete Produkt im wesentlichen sphärische Mikrokügelchen bildet, welche keinen inneren Hohlraum besitzen oder zumindest einen inneren Hohlraum besitzen, wobei diese Hohlräume nicht mehr als 5% des Volumens des Mikrokügelchens beanspruchen. In den Aggregaten sind die Plättchen statistisch angeordnet, so daß sich die Plättchen im im Sprühtrockner entstandenen Tröpfchen nicht in der Ebene der Außenhaut des Tröpfchens unter Ausbildung einer im wesentlichen undurchlässigen Haut anordnen können. Falls dies der Fall wäre und sich die Plättchen so wie im Falle eines nicht zu Aggregaten zusammengebackenen Aluminosilikatmaterials wie beispielsweise einem hydratisierten Kaolinton ausrichten könnten, würde im Tröpfchen gebildeter Dampf unter Druck durch die Wand austreten und einen relativ großen inneren Hohlraum und eine Öffnung in der Wand des Mikrokügelchens hinterlassen.
Das in Stufe a) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzte poröse anorganische Material kann entweder durch Zusammensintern der Plättchen eines feinteiligen Kaolintons im Zuge eines Calcinierens bei einer relativ niedrigen Temperatur oder durch chemisches Agglomerieren der Plättchen hergestellt werden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines geeigneten porösen anorganischen Materials durch Calcinieren ist in der US-A-4381948 beschrieben. Ein relativ feinkörniger Rohkaolin wird in Wasser zu einer Dispersion angerührt. Die erhaltene wässerige Suspension wird in solcher Weise einer Korngrößenklassierung unterworfen, daß im wesentlichen alle Teilchen einen äquivalenten Kugeldurchmesser von weniger als 2 um, vorzugsweise von weniger als 1 um, besitzen. Die Suspension des feinkörnigen Produkts wird getrocknet, um einen im wesentlichen von Feuchtigkeit freien Ton zu erhalten, welcher dann zwecks Aufbrechens von Agglomeraten gründlich pulverisiert wird. Dieses Material wird sodann als Beschickung für eine Calciniereinrichtung verwendet und darin unter gesteuerten Bedingungen bei einer Temperatur im Bereiche von 900ºC bis 1100ºC calciniert, wobei als Produkt ein poröser Metakaolin erhalten wird, welcher Aggregate im wesentlichen hexagonaler Plättchen enthält, deren Form und Größe durch die Natur des Rohkaolins bestimmt wird.
Ein geeignetes poröses anorganisches Material kann alternativ nach den in der EP-0274429 und in der EP-0274430 beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Beim in der EP-0274430 beschriebenen Verfahren wird ein Rohkaolin, dessen Teilchengrößenverteilung eine solche ist, daß 70 bis 100 Gew.-% der Teilchen einen äquivalenten Kugeldurchmesser von weniger als 1 um besitzen, so getrocknet, daß im wesentlichen sein gesamtes physikalisch gebundes Wasser, jedoch im wesentlich nichts von seinen chemisch gebundenen Wasser abgetrieben wird, worauf der so getrocknete Ton anschließend mit 10 bis 40 lb/ton (5,20 kg/t) eines Silizium- Titan- oder Aluminiumchlorids behandelt wird. Es ist auch von Vorteil den zugeführten Kaolin mit 0,5 bis 12 Gew.-% des Kaolins an einem teilchenförmigen Erdalkalimetallcarbonat oder -hydroxid oder an Lithiumcarbonat zu vermischen. Dem Gemisch aus Kaolin und Chlorid wird vorzugsweise Ammoniak, Harnstoff oder ein organisches Amin in einer Menge von 4 bis 8 kg/t zugesetzt. Das Produkt aus diesem Verfahren ist ein poröses anorganisches Material, welches Aggregate von Kaolintonplättchen enthält.
Die Porosität des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten anorganischen Materials kann durch Behandeln des Produktes aus der obigen Stufe e) oder der obigen Stufe f) mit einer 2 bis 30 Gew.-% Flußsäure enthaltenden wässerigen Lösung erhöht werden. Falls die Konzentration der Lösung größer ist als etwa 30 Gew.-% neigt die poröse Mullitmatrix dazu vollständig zu zerfallen.
Das erfindungsgemäße poröse anorganische Material kann als Packungsmedium für eine Kolonne verwendet werden. Dieses Material besitzt im Gebrauch gute mechanische Eigenschaften und kann für die Biofiltration, die Gelfiltrationschromatographie, die Affinitätschromatographie, die Ionenaustauschchromatographie oder für das Immobilisieren von Enzymen oder anderen Proteinen verwendet werden. Falls das erfindungsgemäße Material als Träger für einen Biokatalysator wie ein Enzym oder ein anderes Protein verwendet wird, sind in einer Flüssigkeit suspendierte Nährstoffe in der Lage ungehindert durch den im Material immobilisierten Biokatalysator hindurchzudiffundieren und Reaktionsprodukte in der Lage ungehindert abzudiffundieren.
Die aus dem Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens stammenden Mikrokügelchen können gewünschtenfalls zu großen Formkörpern verformt werden, von welchen jeder eine Vielzahl einzelner Mikrokügelchen enthält. Die Formkörper können im Zuge eines Granulierverfahrens, beispielsweise in einer Pelletisierpfanne, oder durch Ausüben eines leichten Druckes auf die Mikrokügelchen in einer Form geeigneter Abmessungen, beispielsweise in einer Tablettenpresse, hergestellt werden. Die Formkörper werden anschließend calciniert und im Zuge der oben beschriebenen Schritte c) bis f) weiter behandelt. Das poröse anorganische Material wird in einfacher Weise für den Zweck der Affinitätschromatographie oder Ionenaustauschchromatographie oder für biochemische Trennvorgänge mit einer reaktionsfähigen Schicht beschichtet.
Beispiele für auf das teilchenförmige poröse Material zwecks Ausbildung reaktionsfähiger Schichten aufbringbare Materialien sind unter anderen mehrsäurige organische Basen wie Polyäthylenimine, welche mit der Oberfläche der Mullitkristalle eine direkte Bindung eingehen. Derartige mehrsäurige organische Basen besitzen sowohl hydrophobe als auch hydrophile Gruppen und zeigen Anionenaustauscheigenschaften, welche in biologischen Anwendungen wie beim Behandeln von Proteinen nützlich sind. Andere direkt auf die Mullitkristalle in Form von Schichten aufbringbare Materialien sind thermoplastische Stoffe wie Polystyrol und Polysaccharide. Ein Beispiel für ein substituiertes Polysaccharid, welches erfahrungsgemäß für die Herstellung einer reaktionsfähigen Schicht brauchbar ist, ist "DEAE-Dextran", welches ein durch abstehende Diäthylaminäthylgruppen substituiertes Dextran ist und damit in der Lage ist eine hydrophile organische Schicht mit Anionenaustauscheigenschaften zu bilden. Die Oberfläche des teilchenförmigen porösen Materials kann dadurch hydrophob gemacht und insgesamt mit einer positiven Ladung versehen werden, daß eine Schicht aus einer quarternären Ammoniumverbindung aufgebracht wird, welche zumindest einen Kohlenwasserstoffrest mit 10 bis 24 Kohlenstoffatomen enthält.
Einige Materialien können erst dann zum Herstellen von reaktionsfähigen Schichten verwendet werden, wenn die Mullitkristalle zuerst mit einem Bindemittel beschichtet worden sind. Geeignete Bindemittel sind substituierte Silane, insbesondere jene, welche zumindest eine Hydroxy-, Hydroxyalkyl- oder Alkoxygruppe für die Verbindung mit Hydroxylgruppen an der Oberfläche der Mullitkristalle und zumindest eine Aminoalkyl-, Diazo- oder Halogenalkylgruppe für die Verbindung mit dem Material der gewünschten Schicht aufweisen. Ein Beispiel für ein geeignetes substituiertes Silan ist ein 3-Aminopropyltriäthoxysilan, wobei das substituierte Silan Nucleinsäurebasen wie Adenin, welches für das Konzentrieren und Abtrennen von Nucleinsäuren sehr nützlich ist, und Polysuccinimid, welches für die Affinitätschromatographie und für das Immobilisieren von Enzymen sehr geeignet ist, aufweist.
Die Erfindung wird nun durch die folgenden Beispiele näher erläutert.

BEISPIEL 1

Eine Probe eines Rohkaolins aus Georgia, USA, mit einer solchen Teilchengrößenverteilung, daß 80 Gew.-% einen äquivalenten Kugeldurchmesser von weniger als 2 um besassen, wurde mit einer zum Herstellen einer 60 Gew. -% Feststoffe enthaltenden Suspension ausreichenden Menge an Wasser und mit 0,18 Gew.-% des Gewichts des trockenen Kaolins eines Natriumpolyacrylats mit einem Durchschnittsmolekulargewicht von 1680 als Dispergiermittel vermischt. Die 60 Gew.-% Feststoffe enthaltende Suspension wurde dann mit Wasser auf einen Feststoffgehalt von 15 Gew.-% verdünnt, worauf die verdünnte Suspension zwecks Abtrennung von Sand durch ein Sieb mit einer Nennweite der Maschen von 44 um geleitet wurde. Die von Sand befreite Suspension wurde in einer Zentrifuge nach Korngrößen getrennt, um ein feinkörniges Produkt mit einer solchen Teilchengrößenverteilung zu erhalten, daß 100 Gew.-% der Teilchen einen äquivalenten Kugeldurchmesser von weniger als 1 um besaßen. Die Feinkorn enthaltende Suspension wurde geflockt und durch Filtrieren entwässert, worauf der Filterkuchen mit Natriumpolyacrylat als Dispergiermittel, welches in einer geringen Menge an Wasser gelöst war, erneut zu einer etwa 60 Gew.-% trockenen Kaolin enthaltenden Suspension dispergiert wurde.
Die Suspension wurde durch Sprühtrocknen zu Mikrokügelchen aus im wesentlichen knochentrockenem Kaolin verarbeitet, worauf die Mikrokügelchen in einer Laboratoriums-Hammermühle pulverisiert wurden, um die Plättchen aus Kaolinton im wesentlichen vollständig freizulegen. Das pulverisierte Produkt wurde sodann in einem Muffelofen während 30 Minuten unter solchen Bedingungen calciniert, daß der Ton auf eine Temperatur von zumindest 900ºC gebracht wurde, jedoch kein Bereich des Tons auf eine Temperatur von mehr als 1100ºC erhitzt wurde. Im Zuge dieser Maßnahme entstand Metakaolin. Das calcinierte Produkt wurde sodann in der Laboratoriums-Hammermühle pulverisiert, um große Agglomerate also Agglomerate mit einer Größe von mehr als 10 um, aufzubrechen, ohne jedoch die innere Struktur jener grundlegenden diskreten Aggregate zu beeinträchtigen, welche das calcinierte Produkt kennzeichnen.
Das Aggregate von Plättchen aus Metakaolin enthaltende pulverige calcinierte Produkt wurde mit Wasser zu einer 35 Gew.-% trockene Feststoffe enthaltenden Suspension vermischt, worauf der Suspension 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des trockenen calcinierten Metakaolins, an Natriumcarboxymethylcellulose als viskositätserhöhendes Mittel zugesetzt wurden. Das erhaltene Gemisch wurde sprühgetrocknet, wobei ein sprühgetrocknetes Produkt erhalten wurde, welches im wesentlichen aus kugelförmigen Feststoffteilchen mit höchstens einem kleinen inneren Hohlraum (siehe Fig. 2) erhalten wurden. Eine vergrößerte Ansicht der Oberfläche eines Teilchens ist in Fig. 3 gezeigt.
Die sprühgetrockneten Teilchen wurden in einem Tunnelofen in solcher Weise calciniert, daß sie während 8h einer Temperatur von 1500ºC ausgesetzt wurden. Das calcinierte Produkt wurde sodann in 3-molarer Natriumhydroxidlösung während 1h gekocht, um die Kieselsäurephase aufzulösen und als Rückstand eine starre Matrix von ineinandergeschachtelten Mullitnadeln zurückzulassen. Die Kochlauge wurde abfiltriert, worauf das teilchenförmige Produkt mit heißem Wasser gewaschen und die Waschflüssigkeiten ebenfalls abfiltriert wurden bis sie im wesentlichen frei von Natrium- und Silicationen waren. Das gewaschene Material wurde dann in einem Ofen bei 60ºC getrocknet, worauf der trockene Kuchen gelinde vermahlen wurde, um Agglomerate aufzubrechen. Das Produkt (Figuren 4 und 5) bestand aus im wesentlichen kugelförmigen Teilchen mit einem Gesamtdurchmesser von etwa 50 um, wobei jedes Teilchen ein 3-dimensionales Netzwerk von Mullitnadeln mit einer Länge von etwa- 2 bis 5 um und einer Dicke von etwa 0,2 bis 0,5 um enthielt und die Nadeln zwischen sich miteinander in Verbindung stehende Poren mit einer Weite von etwa 0,2 bis 0,5 um bildeten.

BEISPIEL 2

Die mechanische Festigkeit des Produkts aus Beispiel 1 wurde dadurch geprüft, daß eine Kolonne für Hochleistungs-Flüssigchromatographie mit dem Produkt unter einem Druck von 8000 psig (55 MPa) gepackt wurde. Die Kolonne besaß einen Durchmesser von 7 mm und eine Länge von 250 mm und war an ihrem unteren Ende mit einer gesinterten Scheibe aus rostfreiem Stahl mit einem Porendurchmesser von 2 um ausgestattet. Ein eine Aufschlämmung des Produkts enthaltender Vorratsbehälter wurde über eine Druckkupplung an die Kolonne angeschlossen, worauf die Aufschlämmung unter pneumatischem Druck in die Kolonne gefördert wurde. Durch jede Kolonne wurde eine Pufferlösung, welche an Na&sub2;HPO&sub4; 0,25-molar und an NaCl 0,1-molar war und eine zum Einstellen eines pH- Wertes von 6,8 ausreichende Menge an NaOH-Lösung enthielt, mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten geleitet, wobei für jede Strömungsgeschwindigkeit der Staudruck gemessen wurde. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 graphisch gezeigt. Der Umstand, daß der Staudruck mit der Strömungsgeschwindigkeit lediglich linear anstieg, deutet darauf hin, daß unter einem Preßdruck von 55 MPa die Teilchen nicht nennenswert zu Teilchen mit einem kleineren Durchmesser als etwa 20 um zusammengedrückt wurden, was durch ein Blockieren der Poren der Platte aus gesintertem rostfreien Stahl angezeigt worden wäre.

BEISPIEL 3

Unter Verwendung der gleichen Ausgangsstoffe und nach der in Beispiel 1 beschriebenen Methode wurde ein poröses anorganisches Material mit der Abänderung hergestellt, daß die sprühgetrockneten Teilchen unmittelbar vor dem Calcinieren im Tunnelofen in einer Pelletisiertrommel mit einer 10 gew.-%igen wässerigen Lösung eines quarternisierten Polyacrylamids als Flockungsmittel getrommelt und in ein Granulat mit einem Durchmesser der Granulatkörner von etwa 2 bis 3 mm übergeführt wurden. Proben dieses Granulats wurden dann im Tunnelofen bei verschiedenen Temperaturen während unterschiedlich langer Zeitspannen calciniert, wobei in jedem Falle das calcinierte Granulat in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise mit 3-molarer Natriumhydroxidlösung ausgelaugt, gewaschen, entwässert und getrocknet wurde.
Die Druckfestigkeit des Granulats wurde dadurch bestimmt, daß auf einzelne Granulatkörner große Stahlgewichte im Bereiche von 0,5 bis 20 kg (KJg?) aufgesetzt wurden und das größte Gewicht ermittelt wurde, welches das Granulatkorn abstützen konnte, ohne zu brechen.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Calcinier temperatur (ºC) Calcinierdauer (h) Druckfestigkeit (kg)
Diese Ergebnisse zeigen, daß ein bei 1250ºC oder darunter calciniertes Granulat eine relativ niedrige Druckfestigkeit besitzt und daß eine Calciniertemperatur von etwa 1500ºC erforderlich ist, falls die porösen anorganischen Teilchen stark genug sein sollen, um bei Verwendung als Packungsmaterial in einer handelsüblichen Kolonne den Arbeitsbedingungen standhalten zu können.

BEISPIEL 4

Das Ausmaß der Adsorption von Proteinen an einem erfindungsgemäßen porösen anorganischen Material wurde dadurch bestimmt, daß 1 g des porösen Materials zu 15 ml einer 100 ppm Myoglobin enthaltenden wässerigen Lösung zugesetzt wurden und das Gemisch durch sachtes Schwenken während 18 h bis zum Erzielen eines Gleichgewichtszustandes schwach bewegt wurde. Das Gemisch wurde sodann während 5 h stehengelassen und während 5 min bei einer Drehzahl von 3000 min&supmin;¹ zentrifugiert, um das teilchenförmige Material von der Lösung des nicht absorbierten Proteins abzutrennen.
Der Proteingehalt der ursprünglichen Lösung und der durch Zentrifugieren abgetrennten Lösung von nicht absorbiertem Protein wurde durch Ultraviolett-Spektrophotometrie bestimmt, wobei die Differenz zwischen den zwei Messungen ein Maß für die von 1 g des teilchenförmigen Materials adsorbierte Menge an Myoglobin in mg abgab. Die spezifische Oberfläche des Materials wurde ebenfalls nach der B.E.T.-Stickstoffadsorptionsmethode bestimmt.
Das in der oben angegebenen Weise untersuchte poröse anorganische Material war das aus dem Tunnelofen in Beispiel 1 stammende Produkt, mit und ohne anschließende Behandlung mit 3-molarer Natriumhydroxidlösung bzw. das aus dem Tunnelofen stammende calcinierte und mit Natriumhydroxid behandelte und dann mit verschiedenen Mengen an -Aminopropyltriäthoxysilan behandelte Produkt. Die mit Silan beschichteten Materialien wurden hinsichtlich ihres Glühverlusts dadurch geprüft, daß der Gewichtsverlust nach 1-stündiger Behandlung bei 1000ºC bestimmt wurde.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle II angegeben Tabelle II Material Gew.-% Silan spezifische Oberfläche (m².g&supmin;¹) % Glühverlust Gewicht des adsorbierten Proteins (mg.g&supmin;¹) Bsp. 1 nicht mit NaOH behandelt Bsp. 1 mit NaOH behandelt
Diese Ergebnisse zeigen, daß dann größere Mengen an Protein adsorbiert werden können, wenn das poröse anorganische Material mit einem substituierten Silan beschichtet ist. BEISPIEL 5
Das poröse anorganische Material gemäß Beispiel 1 wurde mit Wasser vermischt, um eine 10 Gew.-% trockene Feststoffe enthaltende Suspension zu erhalten. Die Suspension wurde dann bei einer Temperatur von 60ºC mit einer solchen Menge einer 10 Gew.-% einer quarternären Ammoniumverbindung, u.zw. Dimethyl-di(hydrierter Talg)-ammoniumhydrochlorid (2M2HT), enthaltenden Lösung vermischt, daß je 100 g trockenen anorganischen Materials 8 Milliäquivalente an 2M2HT beigestellt wurden. Das Gemisch wurde dann bei einer Temperatur von 60ºC während einer halben Stunde gerührt, worauf die Suspension filtriert und dann der Filterkuchen mit Wasser gewaschen und getrocknet wurde.
Das so hergestellte beschichtete anorganische Material wurde nach der im obigen Beispiel 4 beschriebenen Methode auf seine Adsorptionsfähigkeit für Protein geprüft. Das beschichtete Material besaß eine spezifische Oberfläche von 1,5 m².g&supmin;¹, beim Glühen bei 1000ºC während 1 h einen Glühverlust von 0,8 Gew.-% und für Myoglobin eine Adsorptionsfähigkeit von 2,5 mg.g&supmin;¹.

BEISPIEL 6

Das poröse anorganische Material gemäß Beispiel 1 wurde dadurch weiterbehandelt, daß eine 10 Gew.-% dieses porösen Materials enthaltende wässerige Suspension bei Raumtemperatur während einer halben Stunde mit einer 5%igen Lösung von Fluorwasserstoff in Wasser vermischt wurde. Das behandelte anorganische Material wurde abfiltriert, mit Wasser gewaschen, dann erneut abfiltriert und getrocknet, womit ein Endprodukt (siehe Fig. 6) erhalten wurde, dessen nach der BET-Methode gemessene spezifische Oberfläche 5 m².g&supmin;¹ betrug, was einer weiteren Erhöhung der für die Adsorption von biochemischen Makromolekülen wie Enzymen oder anderen Proteinen zur Verfügung stehenden Oberfläche entspricht.
Es zeigte sich, daß die mechanische Festigkeit des anorganischen Materials durch die Behandlung mit verdünnter wässeriger Flußsäure im wesentlichen nicht verändert wurde. Der obige Versuch wurde mit der Abänderung wiederholt, daß die 5 gew.-%ige wässerige Lösung von Fluorwasserstoff durch eine 40 gew.-%ige Lösung ersetzt wurde. Es zeigte sich, daß die 3-dimensionale Mullitmatrix vollständig zusammenbrach und nur einzelne Mullitnadeln zurückblieben.
Die Fähigkeit des in der oben beschriebenen Weise mit wässeriger Flußsäure behandelten Produktes zum Adsorbieren von Enzymen wurde dadurch ermittelt, daß zunächst die Oberfläche des porösen Materials mit Glutaraldehyd aktiviert wurde. Zu diesem Zweck wurden je 1 g des porösen Materials zu-25 ml einer 2,5 Gew.-% Glutaraldehyd enthaltenden Lösung desselben in 0,05-molarem Kalium-dihydrogenorthophosphatpuffer vom pH-Wert 7,0 zugesetzt. Das poröse Material wurde während 60 min in Berührung mit der Aktivierungslösung gehalten und anschließend abfiltriert, mit weiteren Mengen der Pufferlösung gründlich gewaschen und noch feucht verwendet. Die Absorption der Enzyme Urease und Trypsin in Kalium-dihydrogenorthophosphat in wechselnder Molarität enthaltenden Pufferlüsungen wurde dadurch gemessen, daß 100 mg des aktivierten porösen Materials mit 1 mg des Enzyms in 1 ml des Puffers geigneter Molarität während 60 min geschüttelt wurden, das poröse Gemisch von der Flüssigkeit abzentrifugiert wurde und die Menge an in Lösung verbliebenem Enzym durch Ultraviolettspektrophotometrie bei 280 nm bestimmt wurde.
Der oben beschriebene Versuch wurde für jede Pufferlösung unter Verwendung von 100 mg nicht aktivierten porösen Materials an Stelle des aktivierten porösen Materials wiederholt, wobei die Menge an am aktivierten porösen Material adsorbierten Enzym durch Differenz ermittel wurde.
Die Ergebnisse sind graphisch in Fig. 8 gezeigt.
Bei einem weiteren Versuch, bei welchem die Zersetzung von Harnstoff in einem 0,01-molaren Phosphatpuffer durch auf dem aktivierten porösen Material immobilisierte Urease spektrophotometrisch ermittelt wurde, zeigte sich, daß die Aktivität der Urease auf der Oberfläche des aktivierten Materials etwa 38 % betrug.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines porösen anorganischen Materials, bei welchem Verfahren

a) eine wässerige Suspension eines porösen anorganischen Materials hergestellt wird, welches Aggregate von Plättchen eines Aluminosilikatmaterials mit einem Molverhältnis von SiO&sub2;:Al&sub2;O&sub3; von zumindest 0,75:1 enthält, wobei die Suspension, bezogen auf Trockengewicht,20% bis40% eines anorganischen Materials und, bezogen auf das Gewicht des trockenen anorganischen Materials, 20 Gew.-% eines hydrophilen organischen Polymers enthält,

b) die Suspension unter Ausbildung im wesentlichen kugelförmiger Mikrokügelchen mit einem Durchmesser im Bereiche von 5 um bis 5 mm sprühgetrocknet wird, wobei in einer Mikrokugel enthaltene Hohlräume nicht mehr als 10% des Volumens der Mikrokugel beanspruchen,

c) die sprühgetrockneten Mikrokügelchen bei einer Temperatur im Bereiche von 1300ºC bis 1800ºC während zumindest 1h calciniert werden,

d) die calcinierten Mikrokügelchen bei einer Temperatur von zumindest 50ºC mit einer konzentrierten wässerigen Lösung eines Alkalimetallhydroxids behandelt werden, womit Kieselsäure unter Entstehung einer offenen dreidimensionalen Matrix von Nadeln des keramischen Materials entfernt wird, wobei jede der Nadeln eine Länge im Bereiche von 2 bis 20 um und eine Dicke im Bereiche von etwa 0,2 bis 2 um besitzt und die keramischen Nadeln zwischen sich miteinander in Verbindung stehende Poren mit einer Breite von 0,1 bis 5 um bilden.

e) die mit dem Alkalimetallhydroxid behandelten Mikrokügelchen gewaschen werden bis das Waschmedium im wesentlichen frei von Silikat- und Alkalimetallionen ist und

f) das in Stufe e) erhaltene gewaschene Produkt entwässert und getrocknet wird, um im wesentlichen sphärische Mikrokügelchen zu erhalten, wobei im Inneren einer Mikrokugel vorhandene Hohlräume nicht mehr als 10% des Volumens der Mikrokugel beanspruchen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin im Inneren einer Mikrokugel vorhandene Hohlräume nicht mehr als 5% des Volumens der Mikrokugel beanspruchen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das hydrophile organische Polymer ein viskositätssteigerndes Mittel ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin das in Stufe a) verwendete Aluminosilikatmaterial ein Kaolin oder Metakaolin ist und die sphärischen Mikrokügelchen Mullitkristalle enthalten.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das in Stufe a) verwendete poröse anorganische Material durch Zusammensintern der Plättchen eines feinteiligen Kaolintons im Zuge eines Calcinierens bei einer relativ niedrigen Temperatur hergestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin die Plättchen des feinteiligen Kaolintons durch Calcinieren bei einer 1100ºC nicht übersteigenden Temperatur zusammengesintert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 4, worin das in Stufe a) verwendete poröse anorganische Material durch chemisches Agglomerieren der Plättchen eines feinteiligen Kaolintons hergestellt wird.

8. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, welches zusätzlich die Stufe der Behandlung des Produkts aus Stufe e) oder f) mit einer 2 Gew.-% bis 30 Gew.-% Flußsäure enthaltenden wässerigen Lösung umfaßt.

9. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin das hydrophile organische Polymer in einer Menge von zumindest 1 Gew.-% des Trockengewichts des anorganischen Materials verwendet wird.

10. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin die Plättchen in Stufe a) im wesentlichen hexagonal sind.

11. Ein poröses anorganisches Material, welches für die Verwendung als Trägermaterial für biologische Makromoleküle geeignetist und im wesentlichen sphärische Teilchen eines keramischen Aluminiumsilikatmaterials enthält, wobei im Inneren der Teilchen vorhandene Hohlräume nicht mehr als 10% des Volumens des Teilchens beanspruchen, jedes Teilchen einen Durchmesser im Bereiche von 5 um bis 5 mm besitzt und vorwiegend aus einer offenen dreidimensionalen Matrix von Nadeln des keramischen Materials besteht, jede der Nadeln eine Länge im Bereiche von 2 bis 20 um und eine Dicke im Bereiche von etwa 0,2 bis 2 um besitzt und die keramischen Nadeln zwischen sich miteinander in Verbindung stehende Poren mit einer Weite von 0,1 bis 5 um bilden.

12. Poröses anorganisches Material nach Anspruch 11, worin im Inneren eines Teilchens vorhandene Hohlräume nicht mehr als 5% des Volumens des Teilchens beanspruchen.

13. Poröses anorganisches Material nach Anspruch 11 oder 12, worin das keramische Aluminosilikatmaterial Mullit ist.

14. Poröses anorganisches Material nach Anspruch 11, 12 oder 13, worin die Teilchen mit einer reaktionsfähigen Schicht beschichtet sind.

15. Poröses anorganisches Material nach Anspruch 14, worin die reaktionsfähige Schicht ein organisches Material ist.

16. Gepackte Kolonne, in welcher das Packungsmaterial ein teilchenförmiges poröses Material der in irgendeinem der Ansprüche 11 bis 15 beanspruchten Art ist.

17. Verfahren zum Abstützen biologischer Makromoleküle, bei welchem die Makromoleküle im Gerüst der miteinander in Verbindung stehenden Poren eines porösen anorganischen Materials der in irgendeinem der Ansprüche 11 bis 15 beanspruchten Art adsorbiert werden.