WO2002046294A1

WO2002046294A1 - Method for producing dimensionally stable, spherical carbohydrate particles and the use thereof

Info

Publication number: WO2002046294A1
Application number: PCT/EP2001/014375
Authority: WO
Inventors: Manfred Kühn; Jochen Saunus; Günther Mann
Original assignee: ATC Dr Mann eK; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: ATC Dr Mann eK; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2003-06-08
Also published as: AU2002233229A1

Abstract

The invention relates to a method for producing dimensionally stable, spherical carbohydrate particles. The inventive method is characterized in that: at least one fibrous or powdery high-molecular insoluble carbohydrate and/or at least one chemically modified derivative thereof, optionally combined with at least one solid filler and/or with a solid or liquid modification reagent, is suspended in an aqueous urea solution; the water is evaporated while agitating and increasing the temperature to 80-120 DEG C; the temperature is further increased up to 200 DEG C in order to form the spherical particles, and; the resulting spherical particles are cleaned using known methods.

Description

Verfahren zur Herstellung von formstabilen, sphärischen Kohlenhydratpartikeln sowie ihre Process for the production of dimensionally stable, spherical carbohydrate particles and their

Verwendunguse

Beschreibungdescription

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von formstabilen, sphärischen Kohlenhydratpar- tikeln, sowie entsprechende sphärische Partikel aus Kohlenhydraten und ihre Verwendung als Sorptions-, Trenn- und Trägermaterial .The present invention relates to a method for producing dimensionally stable, spherical carbohydrate particles, and corresponding spherical particles from carbohydrates, and their use as sorption, separating and carrier material.

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.Spherical particles, especially pearl-shaped materials made of carbohydrates with adjustable and therefore variable porosities, are of particular importance in various branches of the life sciences as a separating material and as a matrix for the immobilization of catalysts, especially biocatalysts. In this context, carrier materials such as the cross-linked dextrans and agaroses and the pearl-shaped chitosan are worth mentioning. In the recent past, pearl-shaped, porous cellulose products with advantageous properties have also appeared on the market.

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.Cellulose and many of its derivatives are frequently used as carrier materials in chemistry, biotechnology, medicine and pharmacy. Cellulose is preferably also used as fiber or powder. However, their use in these forms is associated with considerable disadvantages. For example, to avoid hydrodynamic resistance in chromatography processes, cellulose can only be used in small columns. Pearl celluloses, on the other hand, do not have such adverse properties, which is why spherical particles of carbohydrates have a wide range are of technical interest, especially because they are finishing products of renewable raw materials.

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 .So far, their production has been difficult, expensive and in many cases also ecologically questionable. Dextrans and agarose, for example, are expensive carbohydrates. They are cross-linked with the highly toxic epichlorohydrin to form porous pearl materials. This means that considerable safety measures are required for their manufacture and complicated and expensive methods of disposing of the pollutants and residual substances have to be used. The cross-linked dextrans and agaroses are therefore used almost exclusively in technical processes for the chromatographic isolation and extraction of high-quality products such as proteins and enzymes. An application, for example in the environmental sector and in water desalination, is out of the question for such high-quality and expensive cross-linked dextrans and agaroses for cost reasons.

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:A cheaper alternative to the cross-linked dextrans and agaroses is pearl cellulose, which has been commercially available for some years. It is known that it is produced by spraying or suspension processes. These processes are characterized by three reaction steps:

Verflüssigung der Cellulose oder eines ihrer Derivate, Dispergieren der Celluloselösung in einem mit dieser Lösung nicht mischbaren Lösungsmittel,Liquefaction of the cellulose or one of its derivatives, dispersion of the cellulose solution in a solvent immiscible with this solution,

Verfestigung der nach Reaktionsschritt zwei gebildeten kugelförmigen Partikel.Solidification of the spherical particles formed after the reaction step.

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 E ulgatoren 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.After the spraying process, the cellulose solution is divided into droplets by means of nozzles, which are added dropwise to a solvent that is immiscible with the cellulose solution. There are different variants. For example, according to 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 the cellulose esters, which are soluble in organic solvents, are sprayed into aqueous solutions, to which, if appropriate, emulsifiers have been added. The resulting spherical particles of the cellulose esters are then filtered off and then have to be washed carefully and lengthily in order to remove the organic solvents from the pores of the particles. Finally, to obtain the pure, unmodified cellulose particles, the ester groups are split by hydrolysis.

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. Lösungsmittel sind hierbei z.B. chlorierte Kohlenwasserstoffe, aromatischeConversely, according to 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 derivatives of cellulose which are soluble in aqueous solutions are added dropwise or dispersed in solvents in which they are not soluble and thus, under suitable conditions, precipitate as spherical particles, usually also porous and spherical. Solvents are e.g. chlorinated hydrocarbons, aromatic

Kohlenwasserstoffe oder Alkoholgemische. Auch diese sphärischen Cellulosederivate müssen sorgfältig zur Entfernung der organischen Lösungsmittel gewaschen und abschließend Hydrolysebedingungen ausgesetzt werden, um reine, unmodifizierte Cellulosepartikel zu erhalten.Hydrocarbons or alcohol mixtures. These spherical cellulose derivatives must also be washed carefully to remove the organic solvents and then subjected to hydrolysis conditions in order to obtain pure, unmodified cellulose particles.

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.The production of the pearly and porous particles of cellulose are associated with a number of disadvantages. So far it has not been possible to convert unmodified microcrystalline or fibrous cellulose directly into spherical particles, but only soluble derivatives could be used. These soluble derivatives of cellulose already pose a problem in terms of their synthesis. The viscose solutions which are frequently used for the production of pearl cellulose become Made from cellulose, alkali lye and the highly toxic and highly flammable carbon disulphide, a process that is associated with considerable health and environmental risks. In all known processes for the production of pearl cellulose, organic solvents must also be used, which are expensive and predominantly harmful to health. However, a particular disadvantage of these synthetic possibilities for pearl cellulose production is that the residues from chemicals and solvents are difficult and costly to dispose of. Furthermore, a hydrolytic aftertreatment of the spherical particles of the cellulose derivatives is required, which also results in by-products which are hazardous to health and the environment (from xanthates and by-products of the viscose solutions), for example toxic substances such as carbon disulfide and hydrogen sulfide. These disadvantages explain why pearl celluloses (despite cheap and easily accessible starting materials for their manufacture) have so far only found limited use as expensive high-quality products. The outstanding properties of pearl celluloses, such as their hydrophilic properties and - easily adjustable - variable porosities go hand in hand with the considerable disadvantages described in the manufacture, which has prevented their wide technical use to date.

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.The object of the invention was therefore to develop a suitable, cost-effective and environmentally friendly method for producing spherical particles from naturally present, insoluble carbohydrates or chemically modified and insoluble derivatives of the carbohydrates or composite materials from the carbohydrates mentioned. It is said to be spherical carbohydrate particles are provided that are easily chemically modifiable and thus enable a wide range of applications.

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 Harnstofflosung 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.The invention is implemented according to the claims. According to the invention, spherical carbohydrate particles are obtained by first suspending at least one high molecular weight carbohydrate in powder or fiber form in an aqueous urea solution. Alternatively, derivatives of the high molecular weight carbohydrates can also function as starting products, if appropriate also mixtures of several carbohydrates and / or corresponding derivatives, it also being possible to use combinations of carbohydrates or their derivatives with solid fillers as starting products according to the invention.

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.The reaction is preferably carried out in a heatable mixing vessel with the possibility of mixing or stirring. In order to optimize the chemical and physical properties of the spherical end product, low or high molecular weight chemical compounds which are soluble or insoluble in aqueous and / or organic solvents are optionally added to the suspension. Then the water is first evaporated. This process is preferably carried out with stirring and with an increase in temperature to 80 ° C. to 120 ° C. A vacuum may be applied to protect the reactor contents or to save time. After the water has been removed, the temperature is increased further to 200.degree. C., preferably to temperatures of 120.degree. C. to 160.degree. C., to complete the reaction.

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.Surprisingly, the reactor contents are deformed into spherical particles in ellipsoidal or round form, which after their workup and cleaning in aqueous solutions or organic solvents remain dimensionally stable and can be used for a wide range of uses, such as for applications as sorption, separating and carrier materials in numerous scientific and technical fields.

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 .A variety of high molecular weight and insoluble carbohydrates can be used as starting materials for the preparation of the spherical particles of the carbohydrates, e.g. the celluloses, starches of different origins, pectins, galactomannans, xylans and chitosan obtained from chitin. According to the invention, cellulose, lignocellulose and hemicellulose are preferably used as high molecular weight carbohydrates. These carbohydrates are available in large quantities and have not yet been chemically modified. Alternatively, derivatives of the insoluble carbohydrates can also be used to form spherical particles, e.g. Cellulose derivatives such as e.g. Hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, carboxymethyl cellulose, cellulose sulfate, sulfoethyl cellulose and cellulose phosphate.

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 Gewichtsanteil bis 5 Gewichtsanteile Harnstoff auf ein Gewichtsanteil Kohlenhydrat, vorzugsweise 2-3 Gewichtsanteile Harn- stoff zu einem Gewichtsanteil Kohlenhydrat . Diese Harnstoffmenge wird in Wasser bzw. einer wässrigen Lösung gelöst, die außerdem auch inerte Fremdsalze oder Puffersubstanzen enthalten kann. In einem ersten Schritt wird nach dem vorliegenden Verfahren zur Partikelbildung aus der Suspension von Kohlenhydrat und wässriger Harnstofflosung 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.To form particles, all of the high-molecular carbohydrates mentioned are first suspended in a urea solution. According to the invention, the weight ratios of urea to carbohydrate are 0.5 part by weight to 5 parts by weight of urea per part by weight of carbohydrate, preferably 2-3 parts by weight of urea to one part by weight of carbohydrate. This amount of urea is dissolved in water or an aqueous solution, which may also contain inert foreign salts or buffer substances. In a first step, according to the present method for particle formation, the water is first removed from the suspension of carbohydrate and aqueous urea solution by evaporation. This happens at temperatures in the boiling range of the water, and also below when a vacuum is applied. With further heating with simultaneous stirring to temperatures of up to approximately 200 ° C., preferably to temperatures of 120 ° C. to 160 ° C., the particles then form. After the reactor contents have cooled, the spherical particles formed are removed by known methods to remove excess urea and soluble reaction by-products, for example by washing with cold and / or hot water, dilute alkalis and acids and distilled water until the wash water has a neutral reaction. After the washing steps described, the spherical particles can be sieved as an aqueous suspension by particle size.

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 the form of aqueous suspensions, the spherical carbohydrate particles obtained can be stored at 0 ° C. to 4 ° C. or at room temperature, preferably in the presence of an antibacterial agent. The spherical particles can also be stored in a dry state. For this purpose, the moist particles are either dried at elevated temperatures in a circulating air stream or treated by solvent exchange with methanol, acetone and drying at ambient temperature or only slightly elevated temperatures or by using a vacuum at ambient temperature.

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 guteIn an embodiment variant of the invention, derivatized spherical particles of high molecular weight carbohydrates, preferably with bound phosphate groups, are also produced, with unmodified starting products Carbohydrates are used, especially cellulose without ion exchange groups. According to the invention, this modification takes place during the particle formation process in which primary ammonium phosphate and / or secondary ammonium phosphate or phosphoric acid are added to the suspensions from the carbohydrates and the urea solutions. The weight ratios of the ammonium phosphates or phosphoric acid to urea are set at 0.1: 2 to 0.1: 20, preferably 1: 2 to 1: 6. The spherical particles with phosphate groups produced in this way have good ones

Ionenaustauschereigenschaften. Ihre Bindungskapazitäten gegenüber Schwermetallen betragen in Abhängigkeit vom Schwermetall 1,2 bis 2.0 mmol Schwermetall pro Gramm sphärisches Partikel .Ion exchange properties. Depending on the heavy metal, their binding capacities to heavy metals are 1.2 to 2.0 mmol heavy metal per gram of spherical particle.

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 alsIn the method described, spherical particles can also be produced in a simple manner as so-called composite particles, that is to say the spherical particles are composed of a plurality of high-molecular carbohydrates and / or their corresponding derivatives, or they consist of at least one high-molecular carbohydrate or derivatives thereof and other solids as

Füllmaterial .Filling material .

Als feste Füllstoffe können synthetische lösliche oder unlösliche Makromoleküle oder anorganische Verbindungen eingesetzt werden.Synthetic soluble or insoluble macromolecules or inorganic compounds can be used as solid fillers.

Die Herstellung dieser Art von sphärischenThe manufacture of this type of spherical

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 200μm vorliegen, oder mit anorganischen Verbindungen, die ebenso in Korngrößen kleiner 200μm vorliegen, in die Harnstofflösungen eingetragen. Diese Gemische werden wie oben beschrieben unter den gleichen Reaktionsbedingungen in sphärische Compositpartikel mit hochmolekularen Kohlenhydraten als Bestandteil überführt.Composite particles of the carbohydrates are carried out in analogy to the process already carried out. So either mixtures of high molecular carbohydrates or individual the above-mentioned carbohydrates or mixtures of the carbohydrates with synthetic macromolecules, which are preferably in powder form with particle sizes smaller than 200 μm, or with inorganic compounds, which are also available in particle sizes smaller than 200 μm, are introduced into the urea solutions. As described above, these mixtures are converted into spherical composite particles with high-molecular carbohydrates as a constituent under the same reaction conditions.

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.The weight ratios of urea to the above-mentioned composites are also 0.5 to 5 parts by weight of urea in water or in water mixed with inert foreign salts or buffer substances to a part by weight of composite, preferably in a weight ratio of 2 to 3 parts of urea to 1 part of mixture.

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.The weight content of the individual constituents of carbohydrates or carbohydrate and the additional solids in a composite for the production of spherical composite particles can be selected in a wide range. The second carbohydrate or one of the other solids is introduced into the composite composition in an amount of 5 to 200% by mass, preferably 40% to 100%, based on a selected carbohydrate.

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.Particularly preferred exemplary embodiments of such composite particles in spherical form made of pure, high molecular weight carbohydrates are the particles made of cellulose and the other cellulose derivatives mentioned with ion exchange groups or cellulose and 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 .The process has the great advantage that spherical carbohydrate particles with ion exchange properties are already formed during the reaction in the reactor and do not have to be produced by subsequent chemical modifications, as is customary for cellulose-based ion exchangers. Depending on the concentrations of the individual components of the carbohydrates and the processing methods, the binding capacities of these ion exchangers to heavy metals are in the range from 0.2 to 0.8 mmol of heavy metal per gram of ion exchanger.

Weitere Varianten für erfindungsgemäße sphärische Kohlenhydratpartikel mit Feststoffen als Füllmaterial sind:Further variants for spherical carbohydrate particles according to the invention with solids as filling material are:

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 löslichen1.Composite particles made from high molecular weight carbohydrates (preferably from cellulose) and polymers soluble in aqueous solutions or organic solvents, such as e.g. Polyvinyl alcohol, polyethylene glycol and its ethers, polypropylene glycol and its ethers, polyvinyl pyrrolidone and uncrosslinked polystyrene. To make them, the soluble ones

Polymeren den Kohlenhydraten in Pulverform mit Korngrößen kleiner 200μm zugemischt, wobei die Mengen analog denen sind, die für Compositpartikel aus Kohlenhydraten allein gelten. In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung können nach derPolymers mixed with the carbohydrates in powder form with particle sizes smaller than 200 μm, the amounts being analogous to those that apply to composite particles made from carbohydrates alone. In a preferred embodiment of the invention, according to the

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.Reaction (conditions as described above) in the reactor and the processing of the particles, the soluble polymers are dissolved out of the spherical particles, the water-soluble polymers with aqueous solutions and uncrosslinked polystyrene, for example with acetone or nitromethane. In this way, porous to highly porous pearl materials, preferably pearl celluloses, are obtained. Since the soluble polymers are available in different molecular weights, the pearl materials, in particular the pearl celluloses, can also be used different pore sizes and pore volumes can be obtained in this way.

2. Compositpartikel, hergestellt aus hochmolekularen Kohlenhydraten (bevorzugt aus Cellulose) und weitgehend unlöslichen Polymeren, wie z.B. die Pulver mit Korngrößen kleiner 200μm 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 anderen2.Composite particles made from high molecular weight carbohydrates (preferably from cellulose) and largely insoluble polymers, e.g. the powders with grain sizes smaller than 200μm of the cross-linked ion exchangers of polystyrene and acrylic acid, polyvinylpyridine and polyvinylimidazole or acrylonitrile. The amounts of the individual components are the same as those of the others before

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 spezifischeVariants described. After the reaction and working up, spherical particles with interesting properties are obtained. These spherical composite particles can e.g. be used as ion exchangers or as selectively specific

Adsorbentien zur Proteinbindung verwendet werden oder in einfacher Weise zu weiteren Derivaten der Kohlenhydrate chemisch modifiziert werden.Adsorbents can be used for protein binding or can be chemically modified in a simple manner to form further derivatives of the carbohydrates.

3. Compositpartikel, hergestellt aus hochmolekularen Kohlenhydraten (bevorzugt Cellulose) und3. Composite particles made from high molecular weight carbohydrates (preferably cellulose) and

Adsorptionsmitteln wie z.B. pulverförmiger Aktivkohle, pulverför igem Bentonit oder pulverförmigen Zeolithen, die in gleicher Weise hergestellt werden wie die zuvor beschriebenen. Dabei werden Compositpartikel erhalten, deren Adsorptionseigenschaften vergleichbar denen der reihen 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.Adsorbents such as powdered activated carbon, powdered bentonite or powdered zeolites, which are prepared in the same way as those previously described. This gives composite particles whose adsorption properties are comparable to those of the series adsorbents. In addition, these spherical composite particles have the advantage that they are much more hydrophilic and better wettable with water. 4. Composite particles made from high molecular weight carbohydrates (preferably from cellulose) and inorganic compounds, such as alkali or alkaline earth carbonates or magnetic iron filings, produced as described above. The particles have magnetic iron filings (eg magnetite) magnetic properties and can be separated from solutions with magnets. In one embodiment, composite particles containing alkali or alkaline earth carbonates can be treated with acids in order to detach the carbonates from the spherical particles. This creates cavities and channels in the spherical particles and thus spherical particles with small pores and small pore volumes.

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.The methods according to the invention for pore and pore volume formation, for magnetization and for the formation of ion exchangers can be applied to all spherical particles according to the invention, including the composite particles, by additionally adding either carbonates and / or magnetic materials and / or primary ammonium phosphate and / or secondary ammonium phosphate to the reaction mixtures for particle formation or phosphoric acid can be added.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren besitzt die folgenden Vorteile :The manufacturing method according to the invention has the following advantages:

1. Zur Partikelbildung können die unlöslichen Kohlenhydrate als Ausgangsprodukte eingesetzt werden und müssen nicht erst in lösliche Derivate überführt werden.1. The insoluble carbohydrates can be used as starting products for particle formation and do not first have to be converted into soluble derivatives.

2. Es werden zur Bildung von sphärischen Partikeln keine organischen Lösungsmittel benötigt, weder zur Herstellung noch zur Reinigung. <-2. No organic solvents are required to form spherical particles, neither for production nor for cleaning. <-

3. Es können sphärische Partikel unterschiedlichster Struktur (Porengrδße, Porenvolumen) und3. It can spherical particles of different structure (pore size, pore volume) and

Zusammensetzung (Compositpartikel) bereitgestellt werden.Composition (composite particles) are provided.

4. Sowohl während als auch nach der Umsetzung zu den sphärischen Partikeln im Reaktor können leicht Derivate mit gewünschten Eigenschaften synthetisiert werden.4. Both during and after the reaction to the spherical particles in the reactor can easily Derivatives with desired properties can be synthesized.

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. Ebenso ist dies möglich mit funktioneilen Gruppen zur Immobilisierung biologisch aktiver Verbindungen bzw. selektiv spezifischer Adsorbentien.The spherical carbohydrate particles produced in this way can also be chemically modified very easily after their formation. All of the processes described for celluloses, pearl celluloses and other carbohydrates for their derivatization can also be applied to the spherical particles according to the invention. To improve the mechanical stability they can e.g. easily crosslinked with bifunctional compounds such as formaldehyde under acidic conditions, epichlorohydrin under alkaline conditions or diisocyanates under anhydrous conditions in organic solvents. By introducing functional groups through polymer-analogous reactions, cation or anion exchangers can subsequently be produced. This is also possible with functional groups for immobilizing biologically active compounds or selectively specific adsorbents.

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. zurAccording to the invention, the spherical particles are preferably used to create sorption, separating and carrier materials with a wide range of applications in chemistry, biochemistry, biotechnology, medicine, pharmacy and environmental protection. Due to their outstanding hydrophilic properties of the carbohydrates used, which are transferred to the particles, these spherical particles are readily wettable with water. This property makes working in aqueous solutions much easier. They are also very inexpensive because of the cheap starting materials for their preparation, the simple reaction procedure and work-up techniques. Because of their low price compared to the previously known Carrier materials based on carbohydrates can be used, for example

Schwermetallentfernung oder zur Eliminierung von organischen Schadstoffen aus der Umwelt bzw. zur Wasserentsalzung eingesetzt werden.Heavy metal removal or for the elimination of organic pollutants from the environment or for water desalination.

Die Erfindung wird nachfolgend durch Beispiele erläutert, die sie jedoch nicht einschränken sollen.The invention is illustrated below by examples, which, however, are not intended to restrict it.

Ausführungsbeispieleembodiments

Beispiel 1example 1

12 kg Harnstoff werden im Rührreaktor in 8 Liter deionisiertem Wasser bei 40°C bis 60°C gelöst. In die Harnstofflosung 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, In Natronlauge, deionisiertem Wasser, In 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 212 kg of urea are dissolved in 8 liters of deionized water at 40 ° C to 60 ° C in the stirred reactor. 4 kg of fibrous cellulose are introduced into the urea solution, and the suspension is thoroughly mixed by stirring. With the mixing process, the suspension is heated to 100 ° C to 110 ° C. At this temperature, stirring is continued until the water has largely evaporated. The internal temperature of the reactor is then raised to 140 ° C. to 150 ° C. and this temperature is maintained for 1 hour. During this reaction step too, the reactor contents are mixed by constant stirring, so that the formation of the spherical particles can take place. After the reaction has taken place, the contents of the reactor are cooled to ambient temperature and transferred to a column filled with deionized water. The spherical particles are washed with deionized water, in sodium hydroxide solution, deionized water, in hydrochloric acid and deionized water and stored at 4 ° C after the washing process. After drying by solvent exchange with methanol and acetone at 30 ° C in a vacuum, the pearl cellulose has an average pore volume of 15%. Example 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 1 deionisiertem Wasser und 500 ml In 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.To crosslink the pearl cellulose prepared according to Example 1, 250 g of reactor contents are suspended in 500 ml of tap water, placed on a frit and washed there with 1 l of deionized water and 500 ml of hydrochloric acid. The moist residue is transferred to a beaker and 100 ml of formaldehyde (37%) and 100 ml of concentrated hydrochloric acid are added. The suspension is stirred for 3 hours at room temperature, then filtered and washed with deionized water and methanol. The cross-linked pearl cellulose is dried at 50 ° C.

Beispiel 3Example 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 wassrige 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 4To produce a pearl cellulose containing amino groups, 10 ml of the pearl cellulose prepared according to Example 1 are washed on a frit with 100 ml of methanol and 200 ml of dry acetone. The acetone-moist pearl cellulose is suspended in 50 ml of dry acetone. 1 ml of triethylamine and then 3 ml of hexamethylene diisocyanate in 10 ml of dry acetone are added at 0 ° C. The suspension is stirred for 1 hour and then added to distilled water at room temperature. The aqueous suspension is stirred for 60 minutes at 50 ° C., then filtered, washed with deionized water and acetone and dried at room temperature. The test for primary amino groups with trinitrobenzenesulfonic acid is positive. The pearl cellulose is colored red-orange. After activation with glutaraldehyde, 0.2 mg of methemoglobin per milliliter of carrier are bound to the amino-containing pearl cellulose. The immobilized methaemoglobin has pseudoperoxidative activity. Example 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 .20 ml of the pearl cellulose crosslinked according to Example 2 are suspended in 20 ml of acetone, and then 2 ml of 40% sodium hydroxide solution are added. 4.73 g of chloroacetic acid are dissolved in 50 ml of acetone and 5 ml of 40% sodium hydroxide solution are added to the solution, a white precipitate being formed. This suspension is added to the pearl cellulose at 0 ° C. The mixture of the sodium salt of chloroacetic acid and the activated pearl cellulose in acetone is brought to room temperature and then heated to 80 ° C. The acetone is distilled off. The stirring is continued for 20 minutes. The pearl cellulose modified with carboxymethyl groups is filtered off and washed neutral with deionized water, 0.1N hydrochloric acid and deionized water. The CM pearl cellulose obtained has a binding capacity of 0.2 to 0.4 mmol of copper per gram of carrier.

Beispiel 5Example 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 1 deionisiertem Wasser bei 40°C bis 60°C zusammen mit 4 kg ortho-Phosphorsäure (2,4 1) 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) :To form a cation exchanger during the formation of the spherical particles in the reactor and not subsequently by a polymer-analogous reaction, as described in the previous example, 12 kg of urea are mixed with 8 l of deionized water at 40 ° C. to 60 ° C. together with 4 kg of ortho in the stirred reactor. Phosphoric acid (2.4 1) dissolved. 4 kg of fibrous cellulose are added to the solution. The reaction is carried out as described in Example 1. The reactor contents are worked up by washing the spherical particles with deionized water, 0.1N hydrochloric acid and deionized water. The resulting pearl cellulose with phosphate groups as cation-binding groups has the following binding capacities in mmol per gram of carrier compared to heavy metals (determined in the column test and with the 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.Cu = 1.5 to 2.0; Ni = 1.3 to 1.5; Co = 1.3 to 1.5; Zn = 1.6 to 2.0; Pb = 1.4 to 1.5; Mn = 1.2 to 1.4. Trivalent valence levels of metals such as iron or chromium are bound in smaller quantities. The binding capacities for these metals are in the range from 0.5 to 0.8 mmol of metal per gram of carrier.

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%.The particle size distribution for this heavy metal adsorber is:> 1 mm = 12.2%, 0.5 to 1 mm = 42.4%, 0.25 to 0.5 mm = 33.9% and <0.25 mm = 11, 6%.

Beispiel 6Example 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 .A mixture of 2 kg of fibrous cellulose, 2 kg of chitosan and 8 kg of urea is converted into spherical composite particles as described in Example 1.

500 g des Reaktorinhaltes werden in eine mit deionisiertem Wasser zur Hälfte gefüllten Chromatographiesäule gefüllt und nacheinander mit 1 1 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 Co positverbindung 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.500 g of the reactor contents are filled into a chromatography column half-filled with deionized water and successively with 1 liter of deionized water, 250 ml of 0.5 N sodium hydroxide solution, 500 ml of 0.5 N sodium hydroxide solution heated to 60 ° C., 250 ml of deionized water, 250 ml 1N hydrochloric acid washed. The moist co-compound of cellulose and chitosan in spherical form is transferred to a beaker, 200 ml of 5N hydrochloric acid are added and the suspension is cooled to 0 ° C to 4 ° C. A solution of 2 g of sodium nitrite in 75 ml of deionized water is added to the suspension with stirring. After the sodium nitrite has been added, the temperature of the suspension is brought to room temperature, and stirring is continued at this temperature for a further 20 minutes. The spherical composite compound is then filtered off and washed with 0.1N hydrochloric acid, deionized water, 0.1N sodium hydroxide solution and deionized water. The reaction to the primary amino groups of chitosan in the composite particles with trinitrobenzenesulfonic acid is positive (Rotor-colored). The composite particles bind heavy metals, a property of the chitosan in the particles. For example, copper is bound to the particles that were produced according to this specification in an amount of 0.45 mmol per gram of particles.

Beispiel 7Example 7

Aus 2 kg faseriger Cellulose und 500 g pulverisiertem (Kugelmühle) und gesiebtem (die Fraktion mit einer Korngröße kleiner 200μm 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.Composite particles are produced from 2 kg of fibrous cellulose and 500 g of powdered (ball mill) and sieved (the fraction with a particle size smaller than 200 μm is used), strongly acidic cation exchanger of the polystyrene type and 5 kg of urea, with the exception that the reaction temperature in the Reactor of 125 ° C is not exceeded. The reactor contents are washed with deionized water and 0.1N hydrochloric acid. Compared to heavy metals, this absorber has a binding capacity of 0.8 to 1.2 mmol per gram of composite particles. In the same procedure, spherical composite particles made of fibrous cellulose and activated carbon or magnetic iron powder (magnetite) (magnetic particles are not washed with 0.1N hydrochloric acid, but only with deionized water).

Beispiel 8Example 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.Spherical composite particles are produced from 2 kg of fibrous cellulose and 400 g of polyvinylpyrrolidone (MW: 40,000) and 5 kg of urea, as described in Example 1, but deviating from the manufacturing instructions given there, at a short-term, maximum reaction temperature of 140 ° C. for ten minutes. The reactor contents are washed with cold and 70 ° C hot, deionized water in order to completely remove the polyvinylpyrrolidone Particles. In this way, a porous pearl cellulose with a pore volume of 80% is formed, which can be crosslinked with epichlorohydrin in the presence of sodium hydroxide solution to improve its mechanical stability and to modify the pore structure according to literature regulations (Das Papier, 12 (1993) 703-710).

Beispiel 9Example 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.5 g of the porous pearl cellulose prepared according to Example 8 and crosslinked with epichlorohydrin are washed with 100 ml of acetone and suspended in 100 ml of the same solvent. 5 ml of 40% sodium hydroxide solution are added to the suspension and the suspension is stirred for 30 minutes at room temperature. 5 g of tosyl chloride are then dissolved in 50 ml of acetone and added to the suspension at ambient temperature. Stirring is continued for 10 minutes at room temperature and then at 80 ° C. for 90 minutes. The reaction mixture is cooled, filtered and the tosylate is washed with acetone and ethanol.

Der Schwefelgehalt des Tosylates der Perlcellulose beträgt 1,23 %.The sulfur content of the tosylate of pearl cellulose is 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. 3.12 g of diaminopropane dihydrochloride are suspended in 100 ml of ethanol, and 2 ml of 40% sodium hydroxide solution are added with stirring. 3 g of the above tosylate are added to the suspension, and the suspension is stirred at 80 ° C. for 3 hours. Then another 2 ml of 40% sodium hydroxide solution are added dropwise to the suspension, and stirring is continued for 60 minutes at the same temperature. The reaction mixture is cooled and washed with ethanol, deionized water, acetone and dried. The amino derivative of the porous pearl cellulose no longer contains sulfur and the test for primary amino groups with trinitrobenzenesulfonic acid is positive (rotor color). According to the same procedure, an adsorber for heavy metals can be produced from the tosylate of pearl cellulose and the dihydrochloride of 5-amino-8-hydroxyquinoline, which is able to bind up to 0.4 mmol heavy metal per gram of carrier.

Claims

1. A process for the production of dimensionally stable, spherical carbohydrate particles, characterized in that at least one fibrous or powdery, high molecular weight and insoluble carbohydrate and / or at least one chemically modified derivative thereof is suspended in an aqueous urea solution, the water is evaporated, the temperature for formation of the spherical particles is increased to up to 200 ° C. and the spherical particles formed are cleaned according to methods known per se.

2. The method according to claim 1, characterized in that the suspension in the aqueous urea solution is carried out in combination with at least one solid filler and / or a solid or liquid modification reagent.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature for forming the spherical particles is increased to 120-160 ° C.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that as a high molecular weight

Carbohydrates celluloses, starches of different origins, pectins, galactomannans, xylans and chitosan, preferably cellulose, lignocellulose and hemicellulose, can be used.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the chemically modified derivatives of the high molecular weight carbohydrates, preferably cellulose derivatives

Hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, carboxymethyl cellulose, cellulose sulfate, sulfoethyl cellulose and cellulose phosphate can be used.

6. The method according to any one of claims 2 to 5, characterized in that soluble or insoluble, low or high molecular weight, synthetic macromolecules or inorganic compounds are used as solid fillers.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the weight ratios of urea to carbohydrate or

Carbohydrate mixture, if necessary in combination with the solid filler, should be 0.5-5 parts urea to one part carbohydrate or mixture, preferably 2-3 parts urea: 1 part carbohydrate or mixture.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that inert foreign salts or buffer substances are added to the aqueous urea solution.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the spherical particles unmodified carbohydrates are chemically derivatized or modified during their manufacture.

10. The method according to claim 9, characterized in that to form spherical particles with

Phosphate groups are added to the suspensions primary and / or secondary ammonium phosphate or phosphoric acid.

11. The method according to claim 10, characterized in that the weight ratios of ammonium phosphates or phosphoric acid to urea 0.1: 2 to

0.1: 20, preferably 1: 2 to 1: 6.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that a further carbohydrate or

Derivative thereof and / or a solid filler is present in an amount of 5-200% by mass, preferably in an amount of 40-100% by mass, based on the first carbohydrate.

13. The method according to any one of claims 2 to 12, characterized in that the fillers are added in powder form with a grain size <200 μ.

14. The method according to any one of claims 2 or 13, characterized in that soluble polymers are used as solid fillers, preferably polyvinyl alcohol, polyethylene glycol and its ethers, Polypropylene glycol and its ethers, polyvinyl pyrrolidone and uncrosslinked polystyrene.

15. The method according to any one of claims 2 to 13, characterized in that insoluble polymers are used as solid fillers, preferably crosslinked ion exchangers of polystyrene, acrylic acid, polyvinylpyridine, polyvinylimidazole and acrylonitrile.

16. The method according to any one of claims 2 to 13, characterized in that adsorbents are used as solid fillers, preferably

Activated carbon, bentonite and zeolites.

17. The method according to any one of claims 2 to 13, characterized in that inorganic compounds are used as solid fillers, preferably alkali and alkaline earth carbonates and magnetic iron filings.

18. The method according to any one of claims 1 to 17, characterized in that cellulose is used as the high molecular weight carbohydrate.

19. The method according to any one of claims 2 to 18, characterized in that soluble solid fillers according to

Particle formation can be removed from the particles again, resulting in porous to highly porous particles.

20. The method according to any one of claims 1 to 19, characterized in that to form particles with small pores and small pore volumes carbonates are added to the reaction mixture, which are then removed again.

21. The method according to any one of claims 1 to 20, characterized in that for the formation of magnetized

Magnetic materials are added to the reaction mixture.

22. The method according to any one of claims 1 to 21, characterized in that the spherical particles are chemically derivatized or modified after their formation.

23. The method according to claim 22, characterized in that the chemical derivatization is carried out according to conventional methods, preferably by crosslinking with bifunctional compounds or by introducing functional groups.

24. Spherical particles produced by a method according to one of claims 1 to 23.

25. Spherical particles according to claim 24, characterized in that they have high molecular weight individual

Carbohydrate particles or composite particles from a high molecular carbohydrate in combination with represent at least one other carbohydrate and / or derivative thereof and / or a solid filler.

26. Spherical particles according to claim 24 or 25, characterized in that they are porous carbohydrate particles from which a solid filler has been removed again.

27. Spherical particles according to one of claims 24 to 26, characterized in that they represent high molecular weight carbohydrate particles with bound phosphate groups.

28. Spherical particles according to one of claims 24 to

27, characterized in that they are pearl materials, preferably pearl cellulose.

29. Use of spherical particles according to one of claims 1 to 28 as sorption, separation and

Carrier materials for chemical, biochemical, biotechnological, medical, pharmaceutical and environmental protection purposes.