CH395956A

CH395956A - Verfahren zur Herstellung eines Ionenaustauschers

Info

Publication number: CH395956A
Application number: CH1194260A
Authority: CH
Inventors: Humphrey Raper Alan; Ronald Lockwood Arthur
Original assignee: Glaxo Group Ltd
Priority date: 1959-10-26
Filing date: 1960-10-25
Publication date: 1966-01-14
Also published as: NL257284A; CH1194260A4; FR1271945A; NL127841C; DE1215124B; GB911223A

Description

Verfahren zur Herstellung eines Ionenaustauschers
Durch Modifikation von a-Cellulose kann man zu Anionen- oder Kationenaustauschern gelangen [Sobers und Peterson, JA. C. 5., 1954, 76, 1711 bis 1712, ibid. 1956, 78(4), 751-755, Sobers et al., J. A. C. S., 1956, 78(4), 756-763. Es wurde ein Anionenaustauscher erhalten, indem man stark alkalische a-Cellulosepulver mit 2-Chlor-N,N-diäthyläthyl- amin behandelte. Dieses Produkt, im folgenden als DEAE-Cellulose bezeichnet, hat als Ionenaustausch Absorptionsmittel für Proteine und proteinartige Stoffe, z. B. für Enzyme, Verwendung gefunden, da es verhältnismässig grosse Proteinmengen adsorbieren kann, die unter milden Bedingungen aus der DEAE Cellulose eluiert werden können.

Die a-Cellulose schien diesen Forschern vielversprechend zu sein, da sie hydrophil ist und eine grosse Oberfläche besitzt, welch letztere Eigenschaft für die Bestimmung der adsorptiven Kapazität der modifizierten DEAE-Cellulose bedeutungsvoll ist. Der andere Faktor, der die adsorptive Kapazität der DEAE-Cellulose beeinflusst, ist die Zahl der aktiven Gruppein, die in die Cellulose eingeführt werden können; Versuche zeigten aber, dass, je mehr Diäthylaminoäthylgruppen in der Cellulose vorhanden sind, diese desto gelatinöser und wasserlöslicher wird, so dass in der Praxis die Zahl der einführbaren Gruppen mit ionentauschender Wirkung begrenzt ist, lange bevor die Diäthylamino äthylierung vollständig wäre.

Bei der Verwendung von Ionenaustauschern im Betrieb wird vorzugsweise kontinuierlich gearbeitet, und es ist daher auch bei Verwendung von DEAE Cellulose erwünscht, ein Material zu haben, das im Säulenbetrieb brauchbar ist. Ionenaustauscher für den industriellen Betrieb müssen, soweit möglich, folgende Eigenschaften aufweisen:
1. Poröse Natur, damit der behandelten Flüssigkeit eine grosse Anzahl aktiver Gruppen zur Verfügung steht.

2. Eine genügend offene Struktur, damit die Flüssigkeit leicht durch die Säule fliessen kann.

3. Eine angenähert gleichmässige Teilchengrösse, damit sich das Material beim Packen der Säule nicht durch unterschiedliche Sedimentation abtrennt. Eine gleichmässige Teilchengrösse vermindert auch die Kanalbildung und hilft, einen gleichförmigen Fluss im ganzen Querschnitt der Säule aufrecht zu erhalten.

4. Die einzelnen Teilchen des Ionenaustauschers sollen voneinander möglichst getrennt sein, so dass sie nicht zusammenbacken und keine Klumpen bilden, damit die Materialsäule zurückgewaschen und fluidisiert werden kann, um Fremdstoffe zu entfernen.

5. Die Materialteilchen sollen in wässrigen Salzlösungen und schwach sauren und basischen Mitteln fest genug sein, damit sie ihre Gestalt während der Adsorption, Elution und Regenerierung beibehalten und nicht soweit zusammenbacken oder sich absetzen, dass der Flüssigkeitsstrom gehemmt wird.

Die nach den bekannten Verfahren hergestellte DEAE-Cellulose besitzt die erste dieser Eigenschaf ten; da sie aber ein feines gelatinöses Pulver bildet, neigt sie zum Zusammenballen, kann nicht leicht rückgewaschen werden und lässt keine zufriedenstellende Fliessgeschwindigkeit zu. Ausserdem wird sie nach einer Anzahl Regenerierungen zu schleimig, um in einer Säule verwendet werden zu können.

Im Laufe der Forschung nach einem Verfahren zur Herstellung eines günstigeren Ionenaustauschers aus anderen Cellulose wurde entdeckt, dass besonders eine Celluloseart zur Herstellung eines Ionen austauschers vom DEAE-Cellulose-Typ geeignet ist, welcher besonders für den Säulenbetrieb verwendbar ist und die oben aufgezählten envünschten Eigenschaften in grossem Masse aufweist. Diese Celluloseart weist eine weniger gerichtete Struktur auf, als natürliche Cellulose und übliche regenerierte Cellulose, z. B. von Viskose-Rayon, und ist praktisch isotrop.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Ionenaustauschers durch Diäthylaminoäthylierung von Cellulose, ist dadurch gekennzeichnet, dass man als Ausgangsmaterial unorientierte Cellulose verwendet. Die Cellulose wird zweckmässig in Teilchenform verwendet.

Man kann praktisch reine unorientierte Cellulose erhalten, wenn man den bei der Herstellung von Viskose-Rayon verwendeten Natriumxanthatkomplex sehr langsam mit minimaler Spannung in ein saures Bad presst. Dieses Verfahren unterscheidet sich somit vom üblichen Verfahren zur Herstellung von Rayon, bei welchem die erzeugten Fasern infolge der angewandten Spannung zu einem hohen Grad orientiert sind. Eine für das erfindungsgemässe Verfahren besonders brauchbare Form der Cellulose ist die von der Firma Coutaulds Limited in Coventry unter dem eingetragenen Warenzeichen Rayon Monofil in Verkehr gebrachte Cellulose.

Die für das erfindungsgemässe Verfahren verwendbare unorientierte Cellulose kann von den hochorientierten regenerierten Fasern oder nativer Cellulose durch eine Anzahl physikalischer Methoden unterschieden werden, z. B. durch Beobachtung der Infrarot-Absorptionsspektren und durch Messungen der Doppelbrechnung. Die unorientierte Cellulose hat weniger scharfe Absorptionsmaxima und Minima im Infraroten und zeigt eine geringere Doppelbrechung als die höher orientierte.

Für das erfindungsgemässe Verfahren verwendet man zweckmässig unorientierte Cellulose in Form von Stäbchen oder Fäden, die man zweckmässig erst in Teilchen aufteilt, deren Grösse für ihre Verwendung in einer Ionenaustauschersäuie vorteilhaft ist.

Die Teilchen sollen möglichst nicht grösser sein als 1,68 mm.

Es wurde gefunden, dass Teilchengrössen zwischen 0,3 und 1,0 mm besonders zweckentsprechend sind.

Die für das erfindungsgemässe Verfahren vorzugsweise verwendete unorientierte Cellulose- Rayon Monofil wird üblicherweise in Form von Monofasern von 1000 bis 60 000 Denier geliefert und besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Monofasern von 25 000 Denier erwiesen. Dieses Material kann in Teilchen günstiger Grösse gebracht werden, z. B. indem man es in kleine Stücke von etwa 6 mm Länge schneidet und diese zu Teilchen regelloser Gestalt vermahlt.

Die Teilchen unorientierter Cellulose werden dann behandelt, um die Diäthylaminoäthylgruppen in das Molekül einzuführen. Man kann sie z. B. mit einem Alkalimetallhydroxyd in ein Alkaliderivat der Cellulose überführen, das dann mit einem Diäthylhalogenäthylamin, vorzugsweise in Form eines Hydrohalogenids, umgesetzt wird. Vorzugsweise verwendet man Natronlauge und Diäthylchloräthylamin.

Die erfindungsgemäss erhältlichen Ionenaustauscher weisen gewöhnlich eine lockere Struktur auf und die Moleküle der zu absorbierenden Stoffe können leicht an die aktiven DEAE-Gruppen gelangen.

Sie stellen der zu- behandelnden Flüssigkeit meistens eine grosse Anzahl aktiver Gruppen zur Verfügung.

So wurden z. B. erfindungsgemäss Ionenaustauscher erhalten mit Austauschkapazitäten von etwa 0,1 bis etwa 2,0 mäqu/g (Trockengewicht). Besonders brauchbar ist ein Ionenaustauscher mit einer Austauschkapazität von 0,3 bis 1,6 mäqu/g (Trocken gewicht)
Bei richtiger Wahl der Teilchengrösse kann man einen guten Durchfluss durch die Säule aufrechterhalten und insbesondere höhere Durchflussgeschwindigkeiten, als mit den bekannten DEAE-Cellulosen erreichen.

Der erfindungsgemäss erhältliche Ionenaustauscher kann in eine Teilchenform gebracht werden, wie sie bei Ionenaustauscherharzen üblich ist, z. B. in getrennte Teilchen, die keine Neigung zum Zusammenbacken haben. Er kann ausserdem in solche Form gebracht werden, dass er wie die üblichen Ionen aus tauscherha-rze im Aufwärtsstrom gewaschen und mit Luft durchblasen werden kann. Es sei aber bemerkt, düss, wenn man versucht, einen Ionenaustauscher mit einer viel höheren Austauschkapazität als 2,0 mäqu/g mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens herzu stellen, das l ! Material zu gelieren und in Wasser lös- lich zu werden beginnt, so wie die bekannten DEAE Cellulosen.

Der erfindungsgemäss erhältliche Ionenaustauscher ist im allgemeinen stabil, besonders alkalibeständig und behält seine Teilchenform beim Ge bauch weitgehend bei. Er kann also oft regeneriert werden, ohne seine Eigenschaften wesentlich zu ändern, falls eine Veränderung des Volumens beobachtet wird, beeinflusst diese die Durchflussgeschwindigkeit kaum.

Es wurde beobachtet, dass man, wenn von un arientierter Cellulose der Teilchengrösse von 0,075 bis 0,25 mm ausgegangen- wird, einen Ionenaustauscher mit etwas grösserer Austauschkapazität erhält, als wenn man von unorientierter Cellulose von 0,3 bis 1,0 mm ausgeht, aber diese erhöhte Kapazität ist nicht proportional der vergrösserten Oberfläche, und- die Durchflussgeschwindigkeit neigt zu einer solchen Verminderung; dass der Ionenaustauscher im Brossbetrieb weniger brauchbar wird.

Der erfindungsgemäss erhältliche Ionenaustauscher kann zur Adsorption verschiedener Stoffe verwendet werden. Man kann ihn z. B. im allgemeinen überall da verwenden, wo die DEAE-Cellulose bisher verwendet wurde, z. B. für die Trennung und Reinigung von Proteinen, aber es wurde gefunden, dass er besonders für die- Trennung und/oder Konzentration der aus Pilzen gewonnenen a-Amylase brauchbar ist. Er kann auch zur Reinigung und/oder Konzentration von Poliomyelitis-Viren, Vitamin-Bl2- Säure (durch Adsorption) und von Vitamin B12 (durch Adsorption der Verunreinigungen, während das Vitamin die Säule passiert) verwendet werden.

Erfindungsgemäss hergestellte Ionenaustauscher können ferner auch zur Entionisierung von Wasser verwendet werden.

Beispiel
Etwa 2 kg Rayon Monofil von 25 000 Denier werden von Hand in Stücke von etwa 6 mm Länge geschnitten und durch eine Raymond -Laboratori- umshammermühle ohne Sieb geleitet. Das Material wird anschliessend gesiebt, und man gewinnt eine Fraktion von 1,058 kg, welche durch ein Sieb von 1,0 mm geht und von einem Sieb von 0,3 mm zurückgehalten wird. Diese Fraktion wird bei 110 C eine Stunde mit 5,3 Liter 6n-Natronlauge gemischt.

Dann gibt man eine Lösung von 1,058 kg Diäthylchloräthylamin-hydrochlorid in 1,6 Liter Wasser zu und mischt 35 Minuten bei 850 C. Das Gemisch wird auf Zimmertemperatur abgekühlt und durch Zufügung von 2,5 Liter konzentrierter Salzsäure angesäuert. Der Ionenaustauscher wird abfiltriert, mit 12 Liter Leitungswasser und 5,3 Liter n-Natronlauge und wieder mit Leitungswasser gewaschen, bis das Waschwasser praktisch neutral ist.

Der derart hergestellte Ionenaustauscher wurde in folgender Weise zur Adsorption einer aus Pilzen gewonnenen a-Amylase verwendet:
Der Ionenaustauscher wird in Form einer wässrigen Suspension in ein Glasrohr von 3 m Höhe und 5 cm Durchmesser gefüllt und ergibt ein Bett von etwa 2,1 m Höhe und 4,2 Liter Volumen. Dieses Bett wird durch Abwärtslaufenlassen von 8,4 Liter 0, 1-molarer Phosphatlösung im Verlauf einer Stunde bei pH 6,6 gepuffert. 75 Liter eines Breies von aus Pilzen gewonnener a-Amylase mit einer Dextrinieraktivität von 14,0 Einheiten pro ml, entsprechend
1,050 Kiloeinheiten totaler Aktivität, werden mit Essigsäure auf pH 6,6 eingestellt, durch Filterpapier von Sterilisierqualität gelassen und nach unten durch das Austauscherbett mit einer Geschwindigkeit von 4,2 Liter pro Stunde geleitet.

Darauf folgen 4,2 Liter Wasser als Verdrängungsflüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von 4,2 Liter pro Stunde. Die Analyse der aus der Säule fliessenden Flüssigkeit zeigt
1,7 Kiloeinheiten totaler Dextrinieraktivität, was einer Adsorption von 1,048,3 Kiloeinheiten, also einer Ausbeute von 99, 8 % entspricht. Die adsorbierte Amylase wird in abwärts geführter Elution mit 4,2 Liter 0, 8-molarer Acetat/0, 8-molarem Kochsalzpuffer bei pH 4,7 und durch darauffolgende Verdrängung mit 4,2 Liter Wasser, alles mit einer Stundengeschwindigkeit von 2,1 Liter, gewonnen. 7 Liter Eluat enthalten 992,2 Kiloeinheiten totaler Dextrinieraktivität, entsprechend einer Ausbeute von 94,6 % und einer Konzentrationserhöhung von einer Zehnerpotenz.

Die Säule wurde im Abwärtsfluss mit 8,4 Liter 1 On-Sodalösung, die 2,5 % Kochsalz enthält, regeneriert, mit Wasser gewaschen und in beschriebener Weise wieder mit Phosphat gepuffert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Herstellung eines Ionenaustauschers durch Diäthylaminoäthylierung von Cellulose, dadurch gekennzeichnet, dass man als Ausgangsmaterial unorientierte Cellulose verwendet.

II. Verwendung des gemäss dem Verfahren nach Patentanspruch I erhaltenen Ionenaustauschers zur Trennung, Reinigung oder Konzentration von Proteinen oder proteinartigen Stoffen.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man unorientierte Cellulose in Teilchenform verwendet.

2. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen stab- oder fadenförmig sind.

3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden Monofasern von 1000 bis 60000 Denier sind.

4. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man Teilchen verwendet, die nicht grösser als 1,68 mm sind.

5. Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man Teilchen von der Grösse zwischen 0,3 und 1,0 mm verwendet.

6. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man die unorientierte Cellulose mit starker Alkalilauge in ihr Alkalimetallderivat überführt und dieses mit einem Diäthylhalogenäthylamin umsetzt.

7. Verwendung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der proteinartige Stoff a-Amylase ist.