DE69113266T2

DE69113266T2 - Adsorbentmittel.

Info

Publication number: DE69113266T2
Application number: DE69113266T
Authority: DE
Inventors: Road Dove; John Howell; Fang Ming; Alan Sanderson
Original assignee: Sepragen Corp
Current assignee: Sepragen Corp
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1991-05-22
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2011-05-23
Also published as: EP0530258B1; WO1991017830A1; EP0530258A1; GB9011378D0; JPH05508803A; US5492723A; DE69113266D1; DK0530258T3; ES2080316T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft schwammartige Adsorptionsmedien mit daran chemisch gebundenen funktionellen Gruppen.
Es gibt zwei allgemeine Wege zur Herstellung von Cellulosematerialien in Form eines flexiblen Schwammes mit chemisch an der Cellulose gebundenen funktionellen Gruppen (z. B. Ionenaustauschgruppen). Bei einem Verfahren, das in GB-914 421 beschrieben ist, wird ein vorgeformter flexibler Celluloseschwamm durch Umsetzung mit einem Reagenz, das Ionenaustauschgruppen (wie Orthophosphorsäure oder Natriumchloracetat) einführt, modifiziert. GB-1 387 265 beschreibt ein Ionenaustausch-Cellulosematerial das durch Umsetzung von Cellulose mit einem Reagenz, das Ionenaustauschgruppen einführt, unter anschließender Regeneration in die gewünschte physikalische Form (darunter eine Schwammform) hergestellt wird.
GB-1 226 448 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Ionenaustauschers, das die Einführung von vernetzenden Resten in regenerierte Cellulose unter gleichzeitiger oder anschließender Einführung von Kationen- oder Anionenaustauschgruppen in die Cellulose beschreibt. Die Cellulose wird typischerweise aus Viskose erhalten. Es wird keine bevorzugte physikalische Form für die Cellulose angegeben (d. h. die Cellulose kann in einer Vielzahl von physikalischen Formen eingesetzt werden, wie Stangen, Filamente, Garne, Webstoffe, Flocken, Perlen, Granalien, Pulver, Schwämme, Rohre oder Folien).
US-4 332 916 betrifft die Anreicherung von Schwermetallionen aus wäßrigen Lösungen und beschreibt ein Ionenaustausch- Schwammaterial mit einem Gehalt an regenerierter Cellulose in Vliesform. Der Schwamm weist eine offene Porenstruktur auf und ist mit einem wasserlöslichen polymeren Material mit einem Gehalt an Kationenaustauschstellen vernetzt.
US-4 374 204 betrifft ein poröses offenzelliges Material, das geschäumtes Polyvinylformal oder geschäumtes Polyurethan zusammen mit einem reaktiven Füllstoff enthält. Der Füllstoff enthält Ionenaustauschfasern und/oder komplexbildende Fasern, wobei die Fasern eine Länge aufweisen, die die Porengröße übertrifft und die in einem Anteil von 10-80% im Schwamm vorliegen.
EP-0 451 706 betrifft die Optimierung der Oberfläche pro Flächeneinheit sowie der Ionenaustauschkapazität und der physikalischen Festigkeit eines offenporigen geschäumten Cellulosematerials. Das Cellulosematerial gemäß EP-0 451 706 weist einen Porendurchmesser von 0,5-12,0 mm, eine spezifische Oberfläche von 1,0-10,0 m²/g, eine Dichte von 1,4-1,6 g/cm³ und eine Porosität von mindestens 90% auf.
Hydrophile chromatographische Cellulosemedien sind weit verbreitet zum Einsatz bei der Isolierung oder Trennung von Makromolekülen, wie Proteinen, und zwar sowohl im Laboratoriumsmaßstab als auch im gewerblichen Maßstab. Jedoch werden schwammartige Adsorptionsmedien für gewerbliche chemische Trennvorgänge (wie Ionenaustausch-Trenntechniken) nicht in starkem Maße eingesetzt, was vermutlich darauf zurückzuführen ist, daß schwammartige Adsorptionsmedien mit der erforderlichen porösen Struktur fehlen und sich somit Schwierigkeiten bei der Sicherstellung eines angemessenen Kontaktes zwischen der zu behandelnden Flüssigkeit und dem Schwamm ergeben. Aus diesem Grund werden im allgemeinen teilchenförmige und granulatförmige Medien bevorzugt, und zwar trotz der mit ihrer Verwendung verbundenen Nachteile, wie langsame Strömungsgeschwindigkeiten, Verstopfen des Bettes und schlechte Strömungsverteilung sowie auch die Notwendigkeit einer geschickten Vorgehensweise beim Füllen der Säule zur Vermeidung von Kanalbildung.
Die Massenübertragungsrate von Substanzen, die mit Adsorptionsmedien behandelt werden, ist im allgemeinen durch die Diffusion beschränkt. Die Adsorptionsreaktion an der Oberfläche von Adsorptionsmedien verläuft schnell, während es sich bei den geschwindigkeitsbeschränkenden Vorgängen bei der Adsorption und Elution um den Filmbildungswiderstand um die Matrix und um den Porendiffusionswiderstand innerhalb der Matrix handelt. Höhere Strömungsgeschwindigkeiten verringern den Filmdiffusionswiderstand und erhöhen somit die Produktivität durch Verkürzung der Bearbeitungszeit. Die Trennung mit Ionenaustauschchromatographie erfordert Säulen mit einer bestimmten Länge, wobei die Strömungsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Säulenlänge ist. Bei Gewinnung eines biologischen Moleküls, das in einem großen Volumen an Einsatzmaterial in sehr niedriger Konzentration enthalten ist, stellen die Strömungsgeschwindigkeit und der Einfangwirkungsgrad die zu optimierenden Hauptfaktoren dar.
Eine Schwierigkeit, die sich gemäß der Lehre des Stands der Technik ergibt, besteht im Fehlen eines schwammartigen Adsorptionsmediums, bei dem die mechanische Festigkeit zusammen mit einer hohen Kapazität für Makromoleküle, wie Proteine, optimiert ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von schwammartigen Adsorptionsmedien mit einer vorbestimmten porösen Struktur, wobei das Verfahren die Modifikation eines flexiblen Schwammes beinhaltet, um somit die Schwierigkeiten des Stands der Technik zu überwinden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden schwammartige Adsorptionsmedien (typischerweise schwammartige Cellulosemedien) mit überlegenen Eigenschaften in bezug auf das Fließverhalten und die Adsorptions- und Desorptionskinetik gebildet, die in spezieller Weise so modifiziert sind, daß sie sich als chromatographische Adsorptionsmittel eignen.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines schwammartigen Adsorptionsmediums durch Vernetzen eines flexiblen hydrophilen Schwammes, der eine im wesentlichen gleichmäßig verteilte faserartige Verstärkung enthält, wobei der Schwamm gleichzeitig oder nachfolgend mit einem Reaktionspartner umgesetzt wird, der funktionelle Gruppen in den modifizierten, vernetzten Schwamm einführt.
Die erfindungsgemäß herbeigeführte Verbesserung beinhaltet, daß die Verstärkung hydrophil ist und die Vernetzung so gesteuert wird, daß in dem sich ergebenden Schwamm ein Wasserrückhaltewert von 2 bis 6 sichergestellt wird.
Die faserartige Verstärkung umfaßt vorzugsweise Baumwoll- Linter, typischerweise in einer Menge von 2 bis 50 Gew.-%.
Alternativ können Materialien, wie Jute, Baumwollfasern, Flachs oder andere hydrophile Fasern eingesetzt werden. Derartige hydrophile Fasern enthalten vorzugsweise freie Hydroxylgruppen, die mit dem verwendeten Vernetzungsmittel reaktiv sind. Vorzugsweise handelt es sich bei den Fasern um Cellulosefasern. In einigen Ausführungsformen können Nylonfasern oder andere hydrophobe Fasern zusätzlich zu den hydrophilen Fasern verwendet werden. Die erfindungsgemäß verwendete faserartige Verstärkung stellt eine Stützstruktur bereit, die eine chemische Modifikation des vorgeformten Schwammes ohne vollständigen Zerfall ermöglicht und ferner dem Schwamm eine so ausreichende Steifigkeit verleiht, daß er sich zur Verwendung als chromatographisches Adsorptionsmittel eignet. (Die schwammartigen Materialien gemäß GB-914 421 und GB-1 387 265 sind für eine Verwendung als chromatographische Adsorptionsmittel zu stark komprimierbar) . Vorzugsweise handelt es sich bei dem flexiblen Schwamm um ein polymeres Material, das typischerweise ein Polysaccharid (z. B. regenerierte Cellulose oder vernetzte Dextrane) oder Polyvinylalkohol umfaßt. Die Verwendung von hydrophilen Schwamm-Polymeren ist günstig, da von hydrophoben Materialen bekannt ist, daß sie sich zur chromatographischen Verarbeitung von Proteinen weniger gut eignen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß es häufig aufgrund der Verwendung von derartigen hydrophoben Materialen zu einer irreversiblen Bindung und Denaturierung des Proteins kommt. Besonders bevorzugte hydrophile Schwamm-Polymere sind Polysaccharide (z. B. regenerierte Cellulose, die auf verschiedene Weise solubilisiert und anschließend regeneriert werden können). Typischerweise kann dies entweder über ein Zwischenprodukt, wie einen Ester, nach dem Viskose-Verfahren oder durch Lösung in Kupfertetramminhydroxid erfolgen. Regenerierte Cellulose ist ebenfalls besonders bevorzugt, da die Ionenaustauschgruppen vorteilhafterweise an leicht zugänglichen Stellen, z. B. an den Porenoberflächen (anstelle einer verdeckten Anordnung innerhalb des Körpers des Adsorptionsmediums) angeordnet werden können, was die Erzielung einer raschen Adsorptionskinetik unterstützt.
Der Schwammkörper kann ferner von einem starren mechanischen Träger, z. B. einem Drahtnetz oder einem offenmaschigen Produkt, typischerweise aus Nylon oder anderen hydrophoben Fasern, gestützt werden, obgleich in einigen Ausführungsformen der Körper auch ein oder mehrere hydrophile Netzwerke aus einem Material, wie Baumwollmull oder Flachs, enthalten. Daher kann gemäß einer Ausführungsform der flexible Cellulose- Schwamm vor der Regeneration der Cellulose um den mechanischen Träger geformt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der mechanische Träger in den flexiblen Cellulose-Schwamm nach der Regeneration der Cellulose eingeführt und unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs an Ort und Stelle gehalten werden.
Die Art der porösen Struktur des flexiblen Schwammes, die erfindungsgemäß eingesetzt wird, wird von der Art der chromatographischen Trennung, für die die Verwendung vorgesehen ist, festgelegt und kann daher je nach dem erforderlichen Anwendungszweck variiert werden. Typischerweise weist jedoch die poröse Struktur des Schwammes, der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, ein Gesamtporenvolumen (total void volume) im Bereich von 70-98% (vorzugsweise 80-96%) auf, wobei das anteilige Porenvolumen (fractional voidage) nicht mehr als 95% davon beträgt.
Im allgemeinen ist es bevorzugt, daß der flexible Schwamm primäre und sekundäre Poren aufweist. Bei den primären Poren handelt es sich um miteinander verbundene Poren, die so bemessen sind, daß sie eine freie Passage der Prozeßflüssigkeiten durch den Schwamm ermöglichen. Die sekundären Poren sind in den Wänden der primären Poren vorgesehen, wobei die sekundären Poren den Großteil der chromatographischen Adsorptionsstellen aufnehmen. Es ist günstig, wenn die Diffusionsgeschwindigkeit der chromatographischen Lösung in und aus den Poren groß ist. Daher ist es bevorzugt, daß die Wände zwischen den primären Poren dünn sind und reich mit sekundären Poren geeigneter Größe besetzt sind, um die kinetischen Geschwindigkeiten zu maximieren.
Die Herstellung einer porösen Struktur mit untereinander verbundenen Poren beinhaltet im allgemeinen das Kontaktieren einer Lösung des schwammartigen polymeren Materials mit einem porenbildenden Mittel, wie einem Gas. Sofern es sich beim polymeren Material um Cellulose handelt, wird das schwammbildende polymere Material mit dem Gas entweder vor oder gleichzeitig mit der Regeneration des Schwammes in Kontakt gebracht. Entweder ein Gas oder gasbildende Materialien werden in die Polymerlösung eingeführt. Beispiele für gasbildende Materialien sind Feststoffe, flüchtige Flüssigkeiten, chemische Reagenzien (wie Calciumcarbonat und Säure), thermisch zersetzbare Materialien (um eine Gasentwicklung beispielsweise durch Zersetzung von Bicarbonat herbeizuführen) oder biologische Mittel (wie Dextrose und Hefe) Insbesondere handelt es sich bei den gasbildenden Materialien um feste Reagenzien, wie Pulver, Kristalle, Öle, Wachse oder gemahlenes biologisches Gewebe. Die Verwendung von Feststoffen als Vorstufe für die gasförmigen, porenbildenden Mittel ist für die Herstellung der primären Poren besser geeignet als für die sekundären Poren. Dies ist darauf zurückzuführen, daß es häufig äußerst schwierig ist, feste Teilchen von ausreichend kleinen Größen, wie sie im allgemeinen für die Bildung der sekundären Poren erforderlich sind, zu bilden. Für den Fall, daß es sich beim polymeren Material um Cellulose handelt, kann das Reagenz nach oder während der Regeneration der Cellulose unter Bildung ihrer festen Form entfernt werden, wobei die Entfernung typischerweise eine Behandlung mit einer Säure, einem alkalischen Reagenz oder einem Enzym, die Verwendung von elektromagnetischer Energie oder die Einwirkung eines Lösungsmittels umfaßt.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Schwammes mit einer untereinander verbundenen porösen Struktur umfaßt die Verwendung eines Xanthogenats. Das letztgenannte Verfahren wird bevorzugt, da die Größe der aufgrund der Gasabgabe durch das Xanthogenat gebildeten Poren entsprechend dem Substitutionsgrad des Xanthogenats variieren kann.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Schwammes mit einer untereinander verbundenen porösen Struktur umfaßt die Verwendung von Kristallen von hydratisiertem Natriumsulfat, wobei auch hier Teilchen variierender Größen verwendet werden können. Für eine hohe Auflösung im Laboratoriumsmaßstab können Kristalle von hydratisiertem Natriumsulfat mit einer Teilchengröße im Bereich von 200 bis 400 µm zur Herstellung der miteinander verbundenen Poren eingesetzt werden. Für eine Trennung im großtechnischen Maßstab, die hohe Strömungsgeschwindigkeiten erfordert, können Kristalle von hydratisiertem Natriumsulfat mit einer Teilchengröße von 1500 bis 3000 µm verwendet werden. Es ist besonders schwierig, hydratisiertes Natriumsulfat mit einer Teilchengröße von weniger als 100 µm unter Bildung von Poren entsprechender Abmessungen im Schwamm einzusetzen. Wenn es jedoch notwendig ist, einen Schwamm mit einer Porengröße in der Größenordnung von 100 µm herzustellen, können andere Feststoffe, wie Calciumcarbonat, eingesetzt werden.
Das tatsächliche Volumen der primären Poren, (d. h. das anteilige Porenvolumen (fractional voidage)) ist abhängig von der Menge des in die schwammbildende Polymerlösung eingebrachten Mittels zur Bildung von primären Poren und kann, wie vorstehend angegeben, einen beliebigen Wert bis zu 95% des gesamten Porenvolumens ausmachen.
Die Wanddicke der primären Poren hängt weitgehend von der Menge des Mittels zur Bildung der primären Poren ab, die mit der Lösung des schwammbildenden polymeren Materials vermischt wird. Neben anderen Faktoren hängt die minimale Wanddicke stark davon ab, wie eng die Teilchen des Mittels zur Bildung der primären Poren zueinander passen. Die Gesamtmenge an funktionellen Gruppen, die pro Volumeneinheit in den flexiblen Schwamm eingeführt werden kann, nimmt im allgemeinen mit steigender Schwammdicke zu. Die Dicke der Wände der primären Poren kann je nach dem erforderlichen Einsatzgebiet des schwammartigen Adsorptionsmediums verändert werden. Wird beispielsweise das Medium zur Verarbeitung von anorganischen Ionen verwendet, so kann eine dicke Wandstärke eingesetzt werden, da die Diffusionsgeschwindigkeiten für anorganische Ionen hoch sind. Wird das Medium jedoch für die Chromatographie von Makromolekülen, wie Proteinen, verwendet, so wird eine dünne Wandstärke bevorzugt, da die Makromoleküle eine langsame Diffusionsgeschwindigkeit durch die Wand aufweisen.
Es ist jedoch nicht möglich, innerhalb eines schwammartigen Mediums eine gleichmäßige Wandstärke zu erreichen (beispielsweise ist von einem schwammartigen Cellulosemedium bekannt, daß es Wandstärken im Bereich von 5 bis 45 µm aufweist). In einem erfindungsgemäßen Verfahren umfaßt das Adsorptionsmedium im allgemeinen eine miteinander verbundene poröse Struktur, wobei die Wandstärke der primären Poren typischerweise im Bereich von 2 bis 300 µm liegt.
Bei der Verwendung der porösen schwammartigen Medien ist es wünschenswert, eine Pfropfenströmung (für die sich qualitativ besonders hochwertige Trennungen ergeben) anzuwenden und die axiale Dispersion oder Rückmischung auf einem Minimum zu halten. Ein enger Größenbereich der primären Poren wird daher bevorzugt. Übergroße Poren, die mit einer ungleichmäßigen Strömung verbunden sein können, sollten beseitigt werden.
Die sekundären Poren können in natürlicher Form im Polymeren als eine Folge von Variationen in dessen Dichte auftreten oder können durch Verwendung von einem oder mehreren porenbildenden Mitteln, die im allgemeinen in Verbindung mit dem Mittel zur Bildung der primären Poren eingesetzt werden, gebildet werden. Typischerweise sind die sekundären Poren kleiner als die primären Poren und können nach einem beliebigen nachstehend aufgeführten Verfahren gebildet werden.
Eine Lösung des polymeren Materials kann mit einem entfernbaren Reagenz mit einzelnen Teilchen einer vorbestimmten Größe vermischt werden, um einen flexiblen Schwamm mit einer erwünschten sekundären Porenstruktur (d. h. eine Struktur mit einer durch die Teilchengröße des Reagenz festgelegten Porengröße) zu bilden. Eine Flüssigkeit (mutmaßlich mit der Polymerlösung unmischbar) kann der Polymerlösung zugesetzt werden, die beim Mischen kontinuierliche Kanäle innerhalb des flüssigen Polymeren bildet. Alternativ kann die Dichte der Polymerlösung (in diesem Fall Cellulose) durch Zugabe eines geeigneten Lösungsmittels verringert werden, so daß dann, wenn die Cellulose regeneriert wird, der entstandene Schwamm eine offenporige Struktur aufweist. Geeignete Verfahren zur Entfernung des zugesetzten Gases oder der Flüssigkeit sind die vorstehend aufgeführten Verfahren.
Die sekundären Poren können selbstverständlich durch Kontaktieren der Polymerlösung mit einem festen porenbildenden Mittel gebildet werden. Dieses Verfahren ist jedoch im allgemeinen zur Bildung von sekundären Poren einer erforderlichen Größe weniger erfolgreich (wie vorstehend erläutert).
Das erhaltene Medium kann höhere Durchflußgeschwindigkeiten als herkömmliche Adsorptionsmedien aufweisen. Beispielsweise können bei Verwendung in einer Säule mit einer Höhe von 4 mm und einem Innendurchmesser von 43 mm bei einem Druck von 1 bar Durchflußgeschwindigkeiten von mehr als 50 m pro Stunde erreicht werden (beispielsweise etwa 90 m pro Stunde). Zum Vergleich dazu sind mit guten handelsüblichen Medien (z. B. die handelsüblichen Medien, die unter den Handelsbezeichnungen Whatman CM52 und Indion HC2 erhältlich sind, bei denen es sich jeweils um Carboxymethylcellulosen handelt) unter ähnlichen Bedingungen Durchflußgeschwindigkeiten von weniger als 40 m pro Stunde erreichbar.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind die Aufrechterhaltung der vorbestimmten porösen Struktur und auch der Schutz des porösen Schwammes und von dessen Derivaten gegen eine Beeinträchtigung durch chemischen und physikalischen Angriff besonders wichtig. Vorzugsweise umfaßt die Vernetzung des Schwammes das Kontaktieren des Schwammes mit einer Flüssigkeit, in der ein chemisches Vernetzungsmittel für den Schwamm gelöst ist. Im Fall eines Cellulose-Schwammes kann das Vernetzungsmittel entweder während oder nach der Regeneration des Cellulose-Schwammes zugesetzt werden. Die Zugabe kann in einer oder mehreren Stufen erfolgen. Eine bevorzugte Ausführungsform beinhaltet jedoch die Zugabe des Vernetzungsmittels zu der Lösung des einen Schwamm bildenden Cellulosematerials während des Regenerationsverfahrens. Auf diese Weise werden die Poren im wesentlichen in ihrer vorbestimmten Größe aufrechterhalten. Alternativ kann die Vernetzung nach der Beendigung der Regeneration vorgenommen werden. In diesem Fall wird zunächst der poröse Cellulose-Schwamm unter Bildung der gewünschten Porengröße gequollen und sodann zur Aufrechterhaltung der porösen Struktur vernetzt.
Bei der Flüssigkeit, in der das chemische Vernetzungsmittel gelöst ist, kann es sich um eine wäßrige alkalische Lösung handeln, die im allgemeinen Natriumhydroxid enthält. Eine derartige wäßrige alkalische Lösung enthält typischerweise Natriumhydroxid in einer Menge von 0,5 bis 7 M, wobei vorzugsweise eine Anhebung von 0,7 auf 5 M innerhalb eines Zeitraums von 1 Stunde vorgenommen wird. Alternativ kann innerhalb der gleichen Zeitspanne eine Lösung von gleichbleibender Molarität verwendet werden. Ist die Molarität der Lösung zu hoch oder zu nieder, so werden die Durchflußgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch das erhaltene Adsorptionsmedium und die Massenübertragungskinetik beeinträchtigt. Bei einem zu hohen Wert kann es zur unerwünschten Gelbildung kommen, die einen nachteiligen Einfluß auf die Durchflußgeschwindigkeit hat.
Die Art des Vernetzungsmittels hängt vom flexiblen Schwammaterial ab. Im Fall von Polysacchariden, wie Cellulose, kann ein polares Vernetzungsmittel verwendet werden, das in wäßrigen Medien löslich ist. Beispiele für geeignete Vernetzungsmittel sind Formaldehyd, Dichlorhydrin, Epichlorhydrin, Dibrommethan, Bisepoxypropylether, 1,4-Butandiolbisepoxyether, Dialdehyde, wie Glyoxal, und Divinylverbindungen, wie Divinylsulfon. Bevorzugte Vernetzungsmittel sind Dichlorhydrin (das besonders bevorzugt ist) und Epichlorhydrin.
Der vernetzte Schwamm kann ferner beispielsweise mit heißer Natriumhydroxidlösung behandelt werden. Dadurch werden Teile des Schwammes (insbesondere die niedermolekularen Fraktionen), die nicht vernetzt worden sind, solubilisiert, wodurch sich die Schwammstruktur öffnet. Jedoch werden die Reaktionsbedingungen je nach Art des Vernetzungsmittels gewählt, wobei beispielsweise Epoxyverbindungen, wie Epichlorhydrin, vorzugsweise in einem alkalischen Medium eingesetzt werden, während Aldehyde, wie Formaldehyd, vorzugsweise in einem sauren Medium zum Einsatz kommen.
Wenn der Schwamm in situ gebildet wird, kann das Vernetzungsmittel einen Bestandteil des Schwammbildungsverfahrens darstellen (wie im Fall von Divinylbenzol zur Vernetzung von Polystyrol).
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Natur des flexiblen Schwammes, einschließlich der allgemeinen porösen Struktur, von einer Vielzahl von Faktoren abhängen kann, die das Herstellungssystem beeinflussen. Beispielsweise können Änderungen in bezug auf Konzentration, Polymerisationsgrad oder Viskosität des Polymeren vorgenommen werden. Mittel (wie oberflächenaktive Mittel), von denen angenommen wird, daß sie die sekundäre und primäre Porenstruktur beeinflussen, können zugesetzt werden.
Beim Reagenz, das anschließend mit dem Vernetzungsmittel umgesetzt wird, kann es sich um ein Reagenz handeln, das Ionenaustauschgruppen einführt. Beispiele für derartige Reagenzien sind Verbindungen mit Amino-, Alkylamino- oder quaternären Ammoniumgruppen (falls die Herstellung eines Anionenaustauschharzes erwünscht ist) oder Verbindungen mit Sulfo-, Phospho- oder Carboxylgruppen (falls die Herstellung eines Kationenaustauschharzes erwünscht ist) Beispiele für den erstgenannten Verbindungstyp sind Diethylaminoethylchlorid (ggf. unter anschließender Umsetzung mit Bromethan unter Bildung des entsprechenden quaternären Derivats), Chlorhydroxypropyltrimethylammoniumchlorid, Glycidyltrimethylammoniumchlorid, Polyethylenimin, Di- (hydroxyethyl)-aminoethylchlorid und p-Morpholinoethylchlorid. Beispiele für den letztgenannten Verbindungstyp sind Chloressigsäure, Chlorhydroxypropansulfonsäure, Natriumbisulfat, Bromethansulfonsäure, Hydroxyethansulfonsäure, Chlorethansulfonsäure, Chlorsulfonsäure, Chlormethansulfonsäure und 1,3-Propansulton.
Weitere Typen von funktionellen Gruppen, die mit dem Reagenz, das mit dem vernetzten Schwamm umgesetzt wird, eingeführt werden können, sind Metallchelate, Antikörper (wie IgG), Antigene (wie Protein A), Farbstoffe, Lectine oder Gruppen, die biologisch aktive Materialien, wie Enzyme, fixieren können. Ein Beispiel für den letztgenannten Typ von Gruppen ergibt sich aus der sukzessiven Umsetzung des Schwammes mit Carbonyldiimidazol, p-Aminobenzamid und Hexansäure. Ein Beispiel für die Einführung von Chelatgruppen ist die sukzessive Reaktion mit einem Diglycidylether, Natriumborhydrid (zur Bildung von Epoxygruppen), Iminodiessigsäure und einem Zink- oder Kupfersalz.
Das gebildete schwammartige Adsorptionsmedium kann ferner einer Behandlung zur Modifikation der chemischen Beschaffenheit der Porenoberflächen unterzogen werden. Beispielsweise kann die Porenoberfläche mit Materialien, wie Polyethylenimin oder DEAE-Dextran beschichtet werden oder sie kann chemisch gepfropft werden, um Polymere, wie Polyacrylsäure, Polyethylenimin oder Materialien, wie Phosphatidylcholin-Derivate zu bilden, die einen Teil des Raums innerhalb der Poren besetzen.
GB-1 387 265 beschreibt die Bildung eines Ionenaustauschschwammes durch Einführung von Ionenaustauschgruppen vor der Regeneration der Cellulose. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, derartige Ionenaustauschgruppen in den regenerierten Celluloseschwamm einzuführen. Erfindungsgemäß können die Ionenaustauschgruppen in den regenerierten Celluloseschwamm durch Besprühen oder Einweichen des Celluloseschwammes unter Verwendung eines geeigneten Reagenz eingeführt werden. Etwaiges überschüssiges Reagenz kann durch Verwendung einer Rolle, unter Vakuum oder durch Erwärmen entfernt werden. Der letztgenannte Vorgang kann durch Konvektions- oder strahlungsheizungsverfahren, wie Härten (curing) oder Mikrowellen- oder Radiofrequenzbestrahlung vorgenommen werden. Alternativ kann der Celluloseschwamm in ein Gehäuse gebracht werden, wobei reaktive Lösungen durch den Schwamm geleitet werden. Eine Erwärmung kann unter Verwendung einer vorerwärmten inerten Flüssigkeit oder Gases durchgeführt werden.
Der Körper des erfindungsgemäß verwendeten flexiblen Schwammaterials kann als Block, Ring, kontinuierliche Folie, gerollte Folie, Scheibe, Band, Stab oder Kissen vorliegen. Obgleich es möglich ist, das Adsorptionsmedium in einer freien Form einzusetzen, wird es im allgemeinen in einer Vorrichtung mit einem Flüssigkeitseinlaß und einem Flüssigkeitsauslaß (der in einigen Ausführungsformen mit dem Einlaß identisch sein kann oder sich in anderen Ausführungsformen in einem Abstand vom Einlaß befindet) eingesetzt, so daß ein Weg für den Flüssigkeitsstrom zwischen dem Einlaß und dem Auslaß definiert wird, wobei das Adsorptionsmedium quer zu diesem Flüssigkeitsströmungsweg angeordnet ist.
Das Adsorptionsmedium wird im allgemeinen in Blockform in der Vorrichtung verwendet, was bedeutet, daß die Möglichkeit besteht, daß Flüssigkeit zwischen der Innenwand der Vorrichtung und dem Adsorptionsmedium fließen kann. Dieses Problem kann durch eine Vielzahl von Möglichkeiten überwunden werden, beispielsweise durch Verwendung eines Dichtungsmittels und/oder Klebstoffes. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht jedoch in der Verwendung des Adsorptionsmediums unter Kompression in Querrichtung zum Flüssigkeitsströmungsweg, so daß die Flüssigkeit vom Einlaß durch das Adsorptionsmedium fließt.
Der Kompressionsgrad wird vorzugsweise so gewählt, daß die seitliche Abmessung mindestens 1% und vorzugsweise mindestens 3% (z. B. 3-10%) unter der entsprechenden Abmessung des Adsorptionsmediums im druckentlasteten Zustand liegt.
Die Verwendung des Adsorptionsmediums unter seitlichem Druck in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirkt, daß ein Kurzschluß (d. h. der Durchgang von Flüssigkeit durch die Vorrichtung ohne Kontakt mit dem Adsorptionsmedium) vermieden wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Adsorptionsmedium in Form eines flexiblen Blockes vorliegen, der typischerweise die Form eines Zylinders hat, wobei der Einlaß und/oder der Auslaß mit dem axialen Kern des Zylinders verbunden sind. Vorzugsweise soll das Adsorptionsmedium über sein gesamtes Volumen hinweg unter im wesentlichen gleichmäßiger Kompression stehen.
Die Vorrichtung kann zur Verwendung einer Füllungsbehandlung unter Einführen des Adsorptionsmediums in den Flüssigkeitsweg in einer zumindest teilweise dehydratisierten Form unterzogen werden, wobei man anschließend eine hydrophile Quellung des Adsorptionsmediums durchführt, so daß es durch die Wände des Flüssigkeitswegs in seitlicher Richtung komprimiert wird. Alternativ kann das Adsorptionsmedium in einem hydrophilen gequollenen Zustand vor der Einführung in den Flüssigkeitsweg einer Vorkompression unterzogen werden, wonach sich eine partielle Entlastung von der Kompressionsbeanspruchung anschließt, wenn das Adsorptionsmedium in den Flüssigkeitsweg eingeführt worden ist. Gemäß einer weiteren Alternative kann das Adsorptionsmedium nach dem Einführen in einen Flüssigkeitsweg durch Kompressionsmittel, die auf eine oder mehrere der den Flüssigkeitsweg definierenden Wände einwirken, komprimiert werden.
Wenn das Adsorptionsmedium in Form von Scheiben oder Kissen vorliegt, können eine Mehrzahl von derartigen Scheiben oder Kissen zur Verwendung in einer Säule gestapelt werden, beispielsweise bei einer chromatographischen Trennung, wenn das zu trennende Material selektiv von verschiedenen Kissen oder Scheiben oder Teilen davon im Stapel eluiert werden kann.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der ein Stapel von derartigen Scheiben oder Kissen verwendet wird, kann es vorteilhaft sein, einen Indikator zur Anzeige der unterschiedlichen Niveaus im Stapel vorzusehen. Beispielsweise können unterschiedliche Farben zur Anzeige unterschiedlicher Niveaus im Stapel eingesetzt werden. Scheiben aus unterschiedlichen Niveaus können aus dem Stapel entfernt und getrennt behandelt werden, um daraus das in entsprechender Weise fraktionierte Material zu isolieren.
Die Vorrichtung und das Adsorptionsmedium der Erfindung können in beliebigen herkömmlichen Adsorptionsverfahren verwendet werden, wie bei der Isolierung von Proteinen (beispielsweise aus Molke oder Sojamolke) oder anorganischen Ionen, Adsorption von Polyelektrolyten (z. B. Huminsäure) oder radioaktiven Reagenzien durch Ionenaustausch aus Material in flüssiger Phase, Affinitätschromatographie oder Immobilisierung von Enzymen oder Lysozym-Trennung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit Mitteln zur Kompression des Adsorptionsmediums versehen werden, wobei das Medium nacheinander komprimiert und dekomprimiert werden kann, wonach sich beispielsweise eine Adsorptionsphase und/oder eine Waschphase anschließen. Durch Ionenaustausch adsorbiertes Material kann entweder im komprimierten Zustand oder in dekomprimiertem Zustand adsorbiert werden (im letztgenannten Fall schließt sich an die Desorptionsphase vorzugsweise eine aufeinanderfolgende Kompression und Dekompression an). Wenn die Desorption bei komprimiertem Zustand des Adsorptionsmediums stattfindet, kann dies eine Adsorptionsphase mit einem relativ hohen prozentualen Porenvolumen beinhalten, wonach sich eine Desorptionsphase mit einem relativ geringen prozentualen Porenvolumen anschließt.
Die Verwendung von aufeinanderfolgenden Kompressions/Dekompressionsphasen ermöglicht die Erreichung eines hohen Grads an Kontakt zwischen Flüssigkeit und Feststoffin der Adsorptionsphase, wonach sich eine wirksame Desorption der behandelten Flüssigkeit anschließt. Die Ausbeute an Materialien, wie Polyelektrolyten, kann hierdurch gesteigert werden, während das Volumen an flüssigem Produkt verringert werden kann (dies bedeutet, daß eine höhere Konzentration erreicht werden kann)
Für einige Zwecke kann das Adsorptionsmedium insgesamt in partiell komprimiertem Zustand verwendet werden, wobei es im Vergleich zum unkomprimierten Medium zu einer bemerkenswert geringen Veränderung der Strömungseigenschaften kommt. Dies ermöglicht die Erzielung eines verbesserten volumetrischen Wirkungsgrads (d. h. mehr Adsorptionsmedium kann pro Volumeneinheit verwendet werden, ohne daß der Flüssigkeitsstrom wesentlich beeinträchtigt wird) Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird daher ein Verfahren zum Isolieren von Material aus einer flüssigen Phase bereitgestellt, wobei eine Flüssigkeit vom Einlaß zum Auslaß einer erfindungsgemäßen Vorrichtung strömt und dadurch das Material (typischerweise ein Polyelektrolytmaterial, ein Protein oder dergl.) aus der Flüssigkeit adsorbiert wird, das Strömen der Flüssigkeit beendet wird und das Adsorptionsmedium komprimiert wird. Diese Kompression ermöglicht eine Elution mit einem geringeren Volumen an Desorptionsmittel.
Das Adsorptionsmedium muß nicht notwendigerweise in vertikaler Richtung eingesetzt werden. Beispielsweise kann es in einigen Ausführungsformen in horizontaler Richtung eingesetzt werden (im Gegensatz zu herkömmlichen granulierten Ionenaustauschmedien, die in vertikaler Orientierung eingesetzt werden müssen) Erfindungsgemäß kann das schwammartige Adsorptionsmedium zu Pulverform zerkleinert werden, das sodann zu einer kompakten Form, beispielsweise unter Verwendung eines Klebstoffs, rekonstituiert werden kann.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele und Figuren, die den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise beschränken, erläutert.
Die Beispiele 2, 3 und 4 erläutern Verfahren zur Behandlung eines gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 erhaltenen, vernetzten Celluloseschwammes mit einem Reagenz, das funktionelle Gruppen einführt. Die Beispiele 5 bis 12 erläutern die Eigenschaften des erhaltenen behandelten Schwammes.

Beispiel 1

a) Herstellung von Viskose

500 g alkalische Cellulose wurden aus 137,5 g Cellulose, 77,5 g NaOH und 285 g Wasser hergestellt. Der durchschnittliche Polymerisationsgrad der Cellulose war durch alkalischen oxidativen Abbau auf etwa 200 verringert worden. Dieses Produkt wurde in einen Z-Arm-Mischer gebracht und mit 90 g Schwefelkohlenstoff 60 Minuten bei 32ºC umgesetzt. 250 g 19% NaOH und 1275 g gekühltes Wasser wurden sodann zur Herstellung von Viskose zugesetzt.
Die Viskose wurde ferner gemäß einem der nachstehenden Verfahren zur Bildung eines Celluloseschwammes behandelt, aus dem Anionen- und Kationenaustauscher oder Materialien zur Affinitätschromatographie hergestellt werden konnten. In jedem Fall wurde eine flache Platte (Folie) (es können aber auch andere Formen, wie Blöcke oder Ringe gebildet werden) aus porösem Adsorptionsmaterial mit einer Dicke von etwa 5 mm hergestellt. Die Folie wurde gewaschen und mit 0,1 M HCl behandelt, um das Calciumcarbonat zu lösen. Anschließend wurde die Folie erneut gewaschen und entwässert. Im Verfahren 2 wurden 50 g des porösen Folienmaterials einer zusätzlichen Behandlung mit Dichlorpropanol unterzogen.

Verfahren 1

Zu 1500 g Viskose wurden gegeben: 32 g Baumwoll-Linter und 5000 g kristallines Natriumsulfat-decahydrat (Teilchengröße etwa 1000 bis 3000 µm). Das erhaltene Gemisch wurde zu einer Paste vermischt. Anschließend wurde die Paste zwischen zwei Platten von perforiertem rostfreiem Stahl gegossen und bei 95ºC in Natriumsulfatlösung regeneriert.

Verfahren 2

Zu 1500 g Viskose wurden gegeben: 32 g Baumwoll-Linter, 3900 g kristallines Natriumsulfat-decahydrat (Teilchengröße 200 bis 400 µm) und 1000 g pulverisiertes Calciumcarbonat (Teilchengröße weniger als 2 µm). Das erhaltene Gemisch wurde zur Bildung einer Paste vermischt. Die Paste wurde zwischen zwei Platten von perforiertem rostfreiem Stahl gegossen und bei 95ºC in Natriumsulfatlösung regeneriert.

b. Herstellung des vernetzten Cellulose-Schwammes

Verfahren 3

Zu 1500 g Viskose wurden gegeben: 15 ml Epichlorhydrin, 80 g Baumwoll-Linter, 5000 g kristallines Natriumsulfat-decahydrat (Teilchengröße 1000 bis 3000 µm) und 1000 g pulverisiertes Calciumcarbonat (Teilchengröße weniger als 2 µm). Das erhaltene Gemisch wurde zu einer Paste vermengt. Die Paste wurde sodann zwischen zwei Platten aus perforiertem rostfreiem Stahl gegossen und bei 95ºC in Natriumsulfatlösung regeneriert. Das erhaltene regenerierte Material wies einen Wasserrückhaltewert von 3,2 und ein Porenvolumen von 91% auf. Bei diesem Verfahren wurde eine Vernetzung gleichzeitig mit der Regeneration des Schwammes erreicht.

Verfahren 4

50 g des gemäß Verfahren 1 gebildeten Cellulose-Schwammes wurden mit 0,6 bis 5,0 M NaOH innerhalb eines Zeitraums von 1 Stunde mit 250 bis 2000 ml Flüssigkeit mit einem Gehalt an 1% bis 5% (Vol./Vol.) Dichlorhydrin behandelt. Der Schwamm wurde anschließend 1 Stunde bei 60ºC gehärtet. Beim erhaltenen Material handelte es sich um einen porösen, vernetzten Cellulose-Schwamm, aus dem Anionen- oder Kationenaustauscher oder Material für die Affinitätschromatographie hergestellt werden konnte. Das erhaltene Material wies einen Wasserrückhaltewert von 3,4 auf. Ähnliche Ansätze ergeben Wasserrückhaltewerte im Bereich von 2 bis 6. Das Porenvolumen des erhaltenen Materials wurde durch einen Säulen-Tracer-Strom unter Verwendung von Aceton bestimmt. Es wurde ein Wert von 92% ermittelt. Ähnliche Ansätze ergeben Porenvolumina im Bereich von 70 bis 98%. Eine Probe des Materials wurde unter Bildung eines sauberen Querschnittes zerschnitten und zur Entfernung von Wasser gefriergetrocknet. Das Produkt wurde durch SEM (Rasterelektronenmikroskopie) untersucht. Die durchschnittliche primäre Wandstärke wurde zu etwa 20 µm bestimmt. Ähnliche Ansätze können zu durchschnittlichen Wandstärken im Bereich von 2 bis 300 µm führen. Eine Veränderung der Wandstärke kann entweder durch Veränderung des Cellulosegehalts der Viskose oder der Menge der Baumwoll-Linter und des porenbildenden Mittels in der Paste erreicht werden.

Verfahren 5

50 g des gemäß Verfahren 2 hergestellten Cellulose-Schwammes wurden der Vernetzung gemäß Verfahren 4 unterzogen. Das erhaltene Material wies einen Wasserrückhaltewert von 3,3%, ein Porenvolumen von 94% und eine primäre Wandstärke von 7 µm auf.

Beispiel 2

Carboxymethylcellulose wurde hergestellt, indem man 50 g des gemäß Verfahren 4 von Beispiel 1 erhaltenen vernetzten Cellulose-Schwammes mit 400 ml einer Lösung von 5 M NaOH und 80 g Natriumchloracetat versetzte und das Gemisch 1 Stunde bei 100ºC beließ. Das erhaltene Medium wies eine Proteinkapazität von 2 g pro g Trockengewicht des Schwammes bei einer maximalen Durchflußgeschwindigkeit von mehr als 40 m pro Stunde sowie einen Wasserrückhaltewert von 3,2 auf.

Beispiel 3

Ein Sulphopropylcellulose-Schwamm wurde hergestellt, indem man 50 g des gemäß Verfahren 4 von Beispiel 1 erhaltenen vernetzten Cellulose-Schwammes mit 1000 ml einer Lösung mit einem Gehalt an 5 M NaOH und 590 g des Natriumsalzes von Chlorhydroxypropansulfonsäure versetzte und das Gemisch 3 Stunden bei 100ºC beließ. Das erhaltene schwammartige Cellulosematerial wies eine Proteinkapazität von 1 g pro g Trockengewicht bei einer maximalen Durchflußgeschwindigkeit von mehr als 40 m pro Stunde und einen Wasserrückhaltewert von 3,4 auf.

Beispiel 4

Ein Schwamm aus quaternärer Methylammoniumcellulose wurde hergestellt, indem man 50 g des gemäß Verfahren 4 von Beispiel 1 erhaltenen Cellulose-Schwammes mit 900 ml Flüssigkeit mit einem Gehalt an 5 M NaOH, 164 g Chlorhydroxypropyltrimethylammoniumchlorid und 1,74 g Natriumborhydrid versetzte und das Gemisch 2 Stunden bei 50ºC beließ. Das erhaltene schwammartige Cellulosematerial wies eine Proteinkapazität von 1,5 g pro g Trockengewicht bei einer maximalen Durchflußgeschwindigkeit von mehr als 40 m pro Stunde und einen Wasserrückhaltewert von 3,3 auf.

Beispiel 5

Fig. 1 zeigt einen Vergleich der Durchflußgeschwindigkeiten durch die drei Cellulosemedien. Die Kurve A entspricht dem Medium von Beispiel 4, die Kurve B entspricht CM52 und die Kurve C entspricht Indion HC2. Die Durchflußgeschwindigkeiten wurden unter Verwendung einer Säule mit einer Höhe von 4 mm und einem Innendurchmesser von 43 mm unter einem Druck von 1 bar gemessen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist eine Durchflußgeschwindigkeit von etwa 90 m pro Stunde unter Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten Cellulosemediums erzielbar, während unter Verwendung von CM52 und Indion HC2 nur Durchflußgeschwindigkeiten von weniger als 40 m pro Stunde (etwa 20 bzw. 35) erreichbar waren.
In Fig. 2 werden die Geschwindigkeiten durch Cellulosemedien verglichen. Eine Säule der Abmessungen 100 mm x 26 mm wurde mit einem gemäß Beispiel 4 erhaltenen Cellulosemedium gepackt. Es wurde eine maximale Durchflußgeschwindigkeit von 10 m pro Stunde erreicht (Kurve A). Die Säule wurde in ähnlicher Weise mit CM52 und HC2 gepackt, wobei maximale Durchflußgeschwindigkeiten von weniger als 1 m pro Stunde erreicht werden konnten (Kurven B bzw. C).
Eine Säule der Abmessungen 100 mm · 147 mm wurde ebenfalls mit dem gemäß Beispiel 4 erhaltenen Cellulosemedium gepackt.
Es wurde eine maximale Durchflußgeschwindigkeit von 9 m pro Stunde erreicht (Kurve D).
Fig. 3 zeigt einen Vergleich der Adsorptionskinetik des gemäß Beispiel 4 erhaltenen Schwammes aus regenerierter Cellulose mit der Adsorptionskinetik von HC2- und CM52-Cellulosemedien. Sämtliche drei Medien wurden in einer Säule der Abmessungen 30 mm · 25 mm angeordnet, in der Protein in einem Rezirkulationsansatz bei einer Durchflußgeschwindigkeit von 4 m pro Stunde adsorbiert wurde. Die dimensionslosen Geschwindigkeiten für die drei Medien betrugen 0,35, 0,15 bzw. 0,1.
Fig. 4 zeigt den Einfluß auf die Beständigkeit des Bettes, wenn ein erfindungsgemäß hergestellter Schwamm um den Faktor 1,25 (Kurve A) bzw. um den Faktor 2 (Kurve B) komprimiert wurde.

Beispiel 6

Gemäß Beispiel 1 wurde vernetzte, poröse, regenerierte Cellulose hergestellt und gemäß Beispiel 2 in Carboxymethylcellulose übergeführt. Dieses Produkt wurde sodann zur Trennung von Ovalbumin, Conalbumin und Lysozym aus frischem Eiweiß in einem einstufigen Verfahren eingesetzt. Durch Elektrophorese wurde für Conalbumin und Lysozym eine Reinheit von 95% festgestellt. Das Gesamtverfahren wies eine Produktivität von mehr als 80 kg/m³/h auf.
130 ml Flüssigkeit mit einem Gehalt an 14 mg/ml frischem Eiweiß vom pH-Wert 4,8 und einer Ionenstärke von 2,3 ms/cm wird auf ein Bett der porösen, schwammartigen CM-Medien, die in einer Säule von 250 mm Länge und 10 mm Durchmesser enthalten sind, aufgesetzt und 18 mal durch die Säule im Kreislauf geführt. Nach 3-minütigem Waschen der Säule mit 0,01 M Natriumacetatpuffer vom pH-Wert 4,8 wurde eine Elution des Conalbumins und Lysozyms mit einem Salzgradienten unter Verwendung von 250 ml 0,6 M Natriumchloridlösung und 250 ml 0,01 M Natriumacetatpuffer vom pH-Wert 4,8 bei einer Durchflußgeschwindigkeit von mehr als 9 m/h durchgeführt. Das erhaltene Beschickungs- und Elutionsprofil ist in Fig. 5 dargestellt.
Dieses Beispiel zeigt, daß Trennungen von hoher Auflösung bei raschen Durchflußgeschwindigkeiten unter Verwendung eines schwammartigen Adsorptionsmediums mit primären Poren, die eine Eignung für einen großtechnischen Betrieb ermöglichen, erreicht werden können.

Beispiel 7

In diesem Beispiel wird ein Vergleich zwischen zwei gemäß Beispiel 2 hergestellten Carboxymethylderivaten vorgenommen, wobei es sich beim ersten Derivat um Viskose mit primären Poren im Bereich von 1500 bis 3000 µm handelt (hergestellt gemäß dem Verfahren 1 von Beispiel 1) und es sich beim zweiten Derivat um Viskose mit primären Poren im Bereich von 250 bis 500 µm handelt (hergestellt gemäß Verfahren 3 von Beispiel 1). Die Ergebnisse dieses Versuchs sind in Fig. 6 zusammengestellt.
In beiden Fällen wurden die porösen schwammartigen CM-Medien in eine Säule von 20 mm Länge und 25 mm Durchmesser gepackt. 0,01 M Natriumacetatpufferlösung vom pH-Wert 4,5 mit einem Gehalt an 1 mg/ml Lysozym wurde durch die Säulen mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 4 m pro Stunde gepumpt, bis das Lysozym-Konzentrat am Säulenauslaß 50% des Werts vom Säuleneinlaß betrug. Die Trennwirkung war in beiden Fällen ähnlich. Die Zeitspanne bis zum Erreichen des Durchbruchs war für die kleinporige Struktur 3 mal länger als für die Struktur mit größeren Poren. Dies wird auf den größeren Einfangwirkungsgrad und die höhere Dichte zurückgeführt. In beiden Fällen wurde eine hohe Durchflußgeschwindigkeit aufrechterhalten, die höher war als bei Verwendung von teilchenförmigem Material. Zur Bestimmung der Menge des gebundenen Lysozyms wurde dieses in einer einzigen Stufe mit Carbonatpuffer vom pH-Wert 9 aus der Säule eluiert.

Beispiel 8

Dieses Beispiel erläutert die Anwendung der Kompression eines porösen Adsorptionsmediums zur Konzentration einer verdünnten Proteinlösung während eines Adsorptionsverfahrens. Es wurde ein Konzentrationsfaktor der Proteinlösung von 320 erreicht.
Gemäß dem Verfahren 4 von Beispiel 1 wurde ein vernetzter, poröser Cellulose-Schwamm hergestellt. Der Schwamm wies eine poröse Struktur mit primären Poren im Bereich von 1000 bis 3000 µm auf und wurde gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 in einen porösen CM-Cellulose-Schwamm übergeführt. Dieser Schwamm wurde sodann zu Scheiben von 5 mm Höhe und 25 mm Durchmesser zerschnitten und in eine kleine Säule eingesetzt. 1500 ml einer Lysozymlösung mit einer Konzentration von 0,1 mg/ml in 50 mM Acetatpuffer vom pH-Wert 4,5 wurde sodann durch die Scheibe 30 Minuten mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 36 m/h im Kreislauf geführt. Anschließend wurde die Scheibe mit dem Puffer in einer Menge, die mindestens dem 10- fachen des Scheibenvolumens entsprach, gewaschen und zur Entfernung von überschüssigem Puffer mechanisch ausgepreßt. 2,5 ml 0,25 mM Natriumcarbonatpuffer vom pH-Wert 10,6 wurden zur Sättigung der Scheibe zugegeben. Nach 5 Minuten wurde der Elutionspuffer mechanisch aus der Scheibe ausgepreßt und gewonnen. Der Puffer enthielt Lysozym in einer Konzentration von 32 mg/ml.

Beispiel 9

Dieses Beispiel zeigt, daß ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Adsorptionsmedium Kanäle aufweist, die einen größeren Volumenanteil des Mediums ausmachen als bei entsprechenden Kanälen eines teilchenförmigen Adsorptionsmaterials. Dies ist ein wichtiger Grund dafür, warum ein erfindungsgemäß hergestelltes Adsorptionsmedium im Vergleich zu bekannten teilchenförmigen Materialien bessere Durchflußeigenschaften zeigt.
Es wird ein Vergleich vorgenommen, zwischen dem Gesamtporenvolumen und dem anteiligen Porenvolumen (primäres Porenvolumen/Raum zwischen den Teilchen), und zwar für CM-Cellulose- Schwamm, Pharmacia Fastflow Sepharose CM, Whatman CM52 und High-Capacity-Phoenix CM. Eine Säule von 50 mm Höhe und 10 mm Durchmesser, die die entsprechenden Adsorptionsmaterialien enthielt, wurde jeweils bereitgestellt. Größenausschlußdaten wurden unter Verwendung von 0,5% Aceton und 0,9 g Dextranblau (Molekulargewicht 2 000 000) bestimmt. 0,25 ml der einzelnen Lösungen wurden in den durch die Säule fließenden Strom (Wasser mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 0,35 ml/min) injiziert. Die Werte für Aceton geben das Gesamtporenvolumen und die Werte für Dextranblau das anteilige Porenvolumen an.
Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt. Porenvolumen Aceton % Dextranblau % Schwammartiges Adsorptionsmedium (hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren) Pharmacia Whatman Phoenix

Beispiel 10

Dieses Beispiel erläutert die Überlegenheit des erfindungsgemäßen schwammartigen Adsorptionsmediums in bezug auf Durchflußgeschwindigkeit und kinetische Eigenschaften im Vergleich zu den Eigenschaften eines teilchenförmigen Mediums. Einfachheitshalber wird ein einzelnes Protein, nämlich Humanserumalbumin (HSA) untersucht. Die maximalen Kapazitäten (Qm) und die Dissoziationskonstanten (Kd) wurden für Pharmacia Fastflow DE Sepharose und einen gemäß Beispiel 4 hergestellten quaternären Methylammonium-Schwamm (QMA) bestimmt. Folgende Ergebnisse wurden erhalten: Pharmacia-Sepharose: Qm = 98 g/Liter und Kd = 0,2 mg/ml; Schwamm: Qm = 19 g/Liter und Kd = 0,04 mg/ml.
Bei den meisten großtechnischen Verfahren liegt das interessierende Produkt häufig in einer Konzentration von etwa 1 mg/ml vor. Um die relativen möglichen Produktivitäten zu untersuchen, wurde eine HSA-Lösung von 1,0 g/Liter auf Säulen von ähnlicher Kapazität mit einem Gehalt an Pharmacia-Sepharose bzw. dem schwammartigen Adsorptionsmedium aufgesetzt. Die Säule mit einem Gehalt an Pharmacia-Sepharose wurde mit einer Durchflußgeschindigkeit von 0,3 m/h beschickt und eluiert, wobei 1 g/Liter HSA in 0,05 M Tris-Puffer vom pH-Wert 7,5 bzw. 0,05 M Natriumacetatpuffer vom pH-Wert 4,5 verwendet wurden. Eine mögliche Produktivität von 19 kg/m³/h bei einer Ausbeute von 84% und eine Elutionskonzentration von 5,2 g/Liter wurden erreicht.
Ein ähnlicher Versuch wurde unter Verwendung des schwammartigen Adsorptionsmediums durchgeführt, mit der Ausnahme, daß die Säule unter Anwendung einer Rezirkulationsbeschickung mit einer Geschwindigkeit von 9,2 m/h betrieben wurde. Es wurde eine mögliche Produktivität von 40 kg/m³/h bei einer Ausbeute von 95% und eine Elutionskonzentration von 4,8 g erreicht.

Beispiel 11

Zur Erläuterung des Einflusses der faserförmigen Verstärkung wurden Schwammproben mit und ohne faserförmige Verstärkungen gemäß Beispiel 1 hergestellt. Sodann wurde der Kompressionsmodul in einem vollständig gesättigten Zustand nach 48-stündigem Eintauchen des Schwammes in destilliertes Wasser gemessen. Der Kompressionsmodul für das nicht-verstärkte Material betrug 0,2 MPa, während er für das verstärkte Material 2 MPa betrug. Der nicht-verstärkte Schwamm wurde als für den vorgesehenen Zweck zu stark komprimierbar angesehen und unterlag bei weiteren Versuchen zur Verarbeitung leicht einer Beeinträchtigung.

Beispiel 12

Dieses Beispiel zeigt, inwiefern die Eigenschaften (z. B. gesamtes Porenvolumen, anteiliges Porenvolumen und primäre Porenwandstärke) eines Schwammes aus regenerierter Cellulose von den in der Lösung des schwammbildenden Materials, aus dem der Cellulose-Schwamm regeneriert wird, enthaltenen Bestandteilen abhängen.
Vier Viskose-Proben wurden gemäß Beispiel 1 hergestellt. Die Zusammensetzung der einzelnen Viskose-Proben ist in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. Die einzelnen Viskose-Proben wurden gemäß den Verfahren 1 bzw. 3 von Beispiel 1 regeneriert und vernetzt. Die Menge an hydratisiertem Natriumsulfat und Baumwoll-Lintern, die bei der Regeneration der Viskose verwendet wurden, wurden für die einzelnen Viskose-Proben verändert.
Die folgende Tabelle erläutert die Zusammensetzungen und die Eigenschaften der einzelnen Viskose-Proben. Probe Bestandteile in der Lösung, aus der der Cellulose-Schwamm regeneriert wird Cellulose % Baumwoll-Linter % Natriumsulfat % Gesamtporenvolumen % Anteiliges Porenvolumen % Wandstärke (µm)
Der hauptsächliche Einfluß der Verringerung der Menge an hydratisiertem Natriumsulfat, das in der Polymerlösung vorhanden ist, besteht darin, daß das Porenvolumen des gebildeten schwammartigen Cellulose-Mediums verringert wird.
Durch eine Steigerung der Mengen an Cellulose und faserförmigen Verstärkungen in der Polymerlösung wird das Gesamtporenvolumen des schwammartigen Cellulose-Adsorptionsmediums verringert. Die Probe 1 wurde als geeignet für die Adsorption von Makromolekülen angesehen. Die Probe 4 ergab dagegen das höchste Ionenaustauschvermögen pro Volumeneinheit und eignete sich insbesondere für die Adsorption von kleinen anorganischen Ionen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines schwammartigen Adsorptionsmediums, bei dem ein flexibler hydrophiler Schwamm, der eine im wesentlichen gleichmäßig verteilte faserartige Verstärkung enthält, vernetzt wird und gleichzeitig oder nachfolgend der Schwamm mit einem Reaktionspartner umgesetzt wird, der funktionelle Gruppen in den Schwamm einführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung hydrophil ist und das Vernetzen derart gesteuert wird, daß in dem sich ergebenden Schwamm ein Wasserrückhaltewert von 2 bis 6 sichergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Adsorptiansmedium eine poröse Struktur mit untereinander in Verbindung stehenden Poren aufweist und diese Struktur eine primäre Porenwanddicke im Bereich von 2 bis 300 Mikron hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Adsorptionsmedium ein Gesamtporenvolumen im Bereich von 70 bis 98% aufweist, von dem das anteilige Porenvolumen nicht mehr als 95% beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Vernetzen des Schwamms beinhaltet, daß der Schwamm mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, die eine wäßrige alkalische Lösung enthält, in der ein chemisches Vernetzungsmittel für den Schwamm gelöst ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Vernetzungsmittel Dichlorhydrin oder Epichlorhydrin enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der Reaktionspartner irgendeine der folgenden funktionellen Gruppen in den vernetzten Schwamm einführt:

Ionenaustauschergruppen, Metallchelate, Antikörper, Antigene, Farbstoffe, Lektine oder Gruppen, die biologisch aktive Stoffe festhalten können.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der Schwamm aus einem Polysaccharid besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, worin die faserartige Verstärkung hydrophile Fasern enthält, die gegenüber dem Vernetzungsmittel reaktiv sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin die hydrophilen Fasern Baumwoll-Linters enthalten, die in einer Menge von 5 bis 50 Gew.-% vorliegen.

10. Vorrichtung mit einem Flüssigkeitseinlaß und einem Flüssigkeitsauslaß, derart, daß zwischen dem Einlaß und dem Auslaß ein Weg für einen Flüssigkeitsstrom festgelegt ist, wobei ein schwammartiges Adsorptionsmedium, das durch ein Verfahren, wie es in einem der Ansprüche 1 bis 9 definiert ist, erhältlich ist, quer zu dem genannten Durchgang für einen Flüssigkeitsstrom angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin das schwammartige Adsorptionsmedium unter Kompression quer zu dem Durchgang für einen Flüssigkeitsstrom derart angeordnet ist, daß bei Benutzung Flüssigkeit vom Einlaß durch das Adsorptionsmedium strömt, und daß die Kompression des Adsorptionsmediums derart ist, daß sich dieses Medium über sein Volumen hinweg im wesentlichen unter gleichmäßiger Kompression befindet und eine Seitenabmessung des Mediums um mindestens 1% kleiner ist als die entsprechende Abmessung des Adsorptionsmediums in unbehindertem Zustand.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, worin die Vorrichtung mit Mitteln zum Komprimieren des Adsorptionsmediums versehen ist, wodurch das letztere schrittweise komprimiert und dekomprimiert werden kann.

13. Verfahren zum Isolieren eines Stoffes aus einer flüssigen Phase, der einen Polyelektrolyten oder ein Protein enthält, wobei eine Flüssigkeit vom Einlaß zum Auslaß einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 derart strömt, daß der genannte Stoff von der Flüssigkeit adsorbiert wird, das Strömen der Flüssigkeit beendet wird und das Adsorptionsmedium komprimiert wird, um die Flüssigkeit aus dem Medium auszutreiben.