DD292148A5 - Konditionierung von biologisch aktiven Substanzen - Google Patents

Abstract

Die Konditionierung von biologisch aktiven Substanzen ist ein Verfahren, welches in der mikrobiologischen Industrie anwendbar ist. Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens, welches gestattet, bei geringem spezifischen Apparate- und Energieaufwand eine Formgebung fuer biologisch aktive thermolabile Produkte vorzunehmen. Dabei liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, biologisch aktive Produkte mit anwendungstechnischen Eigenschaften (staubfrei, rieselfaehig, enges Kornspektrum, abriebfest, gefaerbt, versiegelt entsprechend den Forderungen des Gesundheitsschutzes) zu erzeugen. UEberraschenderweise wurde gefunden, dasz unter den Bedingungen des erfindungsgemaeszen Verfahrens thermisch bedingte Aktivitaetsverluste bei den hier betrachteten thermolabilen biologisch aktiven Substanzen vermieden werden. Erfindungsgemaesz wird das Verfahren zur Konditionierung von biologisch aktiven Substanzen in einem Fluidisierungsregime durch gleichzeitige Trocknung und Formgebung ohne Zusatz von Bindemitteln mit nachfolgender Versiegelung zwecks Oberflaecheninaktivierung in einer Verfahrensstufe bei Einhaltung des Benetzungsgradbereiches durchgefuehrt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Konditionierung von biologisch aktiven Substanzen, insbesondere von Enzymen. Anwendungsgebiet ist die mikrobiologische Industrie.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Formgebung und Versiegelung biologisch aktiver Produkte gibt es zahlreiche technische Lösungen, die nachfolgend zusammengefaßt und diskutiert werden:

Mischverfahren unter Zusatz hydratbildender Salze nutzen das Wasserbindevermögen zur Agglomerierung aus (DE-OS 2027445). Neben dem Vorteil der Agglomeratausbildung bei für thermolabile Stoffe günstigen Temperaturen weist diese technische Lösung eine Reihe von Nachteilen auf:

- Das begrenzte Wasserbindevermögen hat Produkte mit geringer spezifischer Aktivität zur Folge. Im allgemeinen liegt das Aktivitätsverhältnis zwischen Endprodukt und Auegangsstoff, bezogen auf die Masseneinheit, bei <0,5.

- Die Agglomerate sind nicht durch inertes Material geschlossen umhüllt.

- Als Folge des begrenzten Wasserbindever: iiögens sind sehr große Stoffströme zu verarbeiten, die zur Gewährleistung einer geringen Restfeuchte des Endproduktes häufig einer Konvektionstrocknung zugeführt werden (DE-OS 2042650, SU-UR 872549).

Auch das Verlegen des Mischprozesses in die Wirbelschicht gemäß DD-WP 151598 beseitigt die prinzipiellen Nachteile nicht. Bei dem sog. Prillingverfahren (DE-OS 2060085) wird die biologisch aktive Substanz in Hohlkugeln aus geschmolzenem Wachs eingeschlossen. Dabei wird von weitgehend wasserfreiem biologisch aktivem Produkt ausgegangen, das beispielsweise durch Sprühtrocknung hergestellt wurde. Das in der Wachsschmelze suspendierte Ausgangsprodukt wird in einem Sprühturm versprüht, durch den kalte Luft geführt wird, wodurch die zerstäubte Schmelze in Form feindisperser Kugeln erhalten wird. Nachteile dieser Lösung sind der hohe kostenintensive Wachsanteil (bis zu 50%), die Notwendigkeit der thermischen Stabilisierung des biologisch aktiven Produktes und, aus beiden Sachverhalten resultierend, die geringe spezifische Aktivität des Endproduktes. Das ι alisierte Aktivitätsverhältnis liegt deutlich unter 1. Schließlich ist die biologisch aktive Substanz vor dem Prillen in ein feindisperses Trockenprodukt zu überführen. Das Ziel hoher spezifischer Aktivitäten im Endprodukt ist nur durch aufwendige Reinigungsschritte des biologisch aktiven Produktes zu realisieren.

Eine weitere technische Lösung geht von der Extrusion eines Gomisches aus Füllstoff, Bindemittel, aktiver Komponente und 'asser ausL welches anschliePend in einem speziellen Ypparat zur 3ormgebung "Oarumerizer") spheronisiert wird. Die erhaltenen Partikel sind weitgehend staubfrei und weisen ein enges Kornspektrum auf. Nachteilig sind der hohe Anteil an Bindemittel und Füllstoff und insbesondere die technisch aufwendige Apparatekombination Mischer-Kneter-Extruder-Marumerizer^R-Trockner. Zugaben von Stabilisatoren sind notwendig (s. z. B. GB-PS 1 362 365, DE-AS 2137 043). Das erreichbare Aktivitätsverhältnis liegt bei 0,1 bis 0,6.

Für die Mikroverkapselung biologisch aktiver Stoffe sind zahlreiche Lösungsvorschläge bekannt und in der Fachliteratur zugänglich. Siehe hierzu:

Gutcho: „Capsule Technology and Microencapsulation"

Noyes Data Corporation, 1972 Vanclegaer: „Microencapsulation-Processes and Applications"

Plenum Press, 1974.

Mechanisch-physikalische Verfahren bomben vorzugsweise auf der Sprühtrocknung von Emulsionen, welche die biologisch aktive Komponente enthalten (z.B. US-PS 3016308, US-PS 3439827).

Die Emulsion wird zur Stabilisierung der Phasengrenze mit einem in der kontinuierlichen Phase gelösten filmbildenden Polymer hergestellt. Auch in organischen Losungsmitteln gelöste Wachse bzw. Kunstharze werden als Wandmaterial vielfach eingesetzt (z. B. DE-OS 2043110, DE-OS 2042650, DE-OS 2111411).

Chemische Verfahren sind durch Zusatz einer oder mehrerer reaktiver Komponenten zur Umhüllung des flüssigen oder festen Kornmaterials in Lösung charakterisiert

Vielfach angewendete Wirkprinzipien sind die

- Komplex-Koazervation (z.B. US-PS 2800457, US-PS 2800458)

- Grenzflächenpolykondensation (z.B. DE-AS 1444415,DE-AS 1519925)

- Grenzflächenpolymerisation (z.B. US-PS 3522345, US-PS 3522346, DE-OS 2647730).

Als problematisch bei biologisch aktiven Stoffen erweist sich dabei die Einhaltung der für die Kapselausbildung notwendigen Reaktionsbedingungen, die nur bei Zusatz von Hilfsmitteln zur Stabilisierung der aktiven Komponente möglich ist. Enthalten die Kapseln das biologisch aktive Produkt in flüssiger Form, ist eine aufwendige Trocknerstufe erforderlich.

Weitere Nachteile sind das kostenintensive Kapselmaterial und die aufwendige Meß- und Regeltechnik, die zur Einhaltung der Reaktionsbedingungen erforderlich ist. Der Anteil des Wandmaterials ist insgesamt hoch (DE-OS 2042650).

Eine Weiterentwicklung konventioneller Verfahren zur Kornvergrößerung stellt das Verfahren der NOVO-lndustri A/S (CH-AS 632788) zur Herstellung von Enzymgranulat dar. Die erfindungsgemäße Lehre sieht den Zusatz von faserförmiger Zellulose mit speziellen Eigenschaften, eines Bindemittels und eines Granulierhilfsmittels vor, die in der Gesamtheit ihrer Wirkungen zu einem kontrollierbaren Kornwachstum in bekannten Granuliervorrichtungen wie Pelletesiertrommeln bzw. Granuliertellern führen.

Der Nachteil dieser Lösung liegt im hohen Einsatz faserförmiger Zellulose und der Anwendung von Bindemitteln sowie Granulierhilfsmitteln begründet. Das Endprodukt wird mittels Fließbetttrockner getrocknet sowie mittels geschmolzenerWachse umhüllt. Die technischen Aufwendungen für das mehrstufige Verfahren sind hoch.

Unregelmäßig geformte Partikel erfordern gegenüber Partikeln mit Kugelform eine höhere Hüllsubstanzmenge zur .

Gewährleistung einer geschlossenen Hüllschicht entsprechend den Forderungen des Gesundheitsschutzes. Die notwendige Zugabe hoher Füllstoffanteile setzt ein hochaktives Ausgangsmaterial, bevorzugt in Form von Trockenprodukt, voraus.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung biologisch aktiver Produkte in granulierter Form. Das Herstellungsverfahren ist so zu gestalten, daß es gegenüber bekannten Verfahren einen geringeren Energieaufwand sowie ein geringeres spezifisches Anlagenvolumen erfordert und daß das nach diesem Verfahren hergestellte biologisch aktive Produkt folgenden Forderungen genügt:

- rieselfähig, nicht staubend, nicht klebend, abriebfest, formstabil und daß

- die thermisch bedingten Aktivitätsverluste beim Trocknungsprozeß unbedeutend sind;

- ein Aktivitätsniveau des Granulates weitestgehend unabhängig von der Aktivität der biologisch aktiven Substanz wählbar ist;

- das biologisch aktive Produkt arbeitshygienischen Bedingungen genügt;

- es hinsichtlich der Aktivität lagerstabil ist und

- es ein abstufbares Löslichkeitsverhalten besitzt entsprechend dem gewünschten Anwendungsfall,

so daß das biologisch aktive Produkt für einen Einsatz in verschiedenen Bereichen der Volkswirtschaft geeignet ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ökonomisch günstiges Verfahren zur Konditionierung von biologisch aktiven Substanzen zu entwickeln, so daß biologisch aktive Produkte mit hohen Gebrauchswerteigenschaften entstehen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer bekannten technischen Vorrichtung im Fluidisationsregime die Konditionierung von biologisch aktiven Substanzen durch gleichzeitige Trocknung und Formgebung ohne Zusatz von Bindemitteln mit nachfolgender Versiegelung zwecks Oberflächeninaktivierung in einer Verfahrensstufe in der Weise durchgeführt wird, daß

- biologisch aktive Substanzen, bevorzugt Enzyme, als Lösung oder Suspension auf die Oberfläche eines fluidisierten Trägerstoffes aufgebracht werden, wobei ein Benetzungsgrad Φ als Verhältnis der eingebrachten Lösungs- oder Suspensionsmenge zur maximal möglich einzubringenden Lösungs-oder Suspensionsmenge auf Werte von 0,45 < Φ < 0,85 eingestellt wird, wobei die maximal möglich einzubringende Lösungs- oder Suspensionsmenge durch den Sättigungswert des Fluidisierungsmittels bestimmt wird,

- ein Aktivitätsfaktor a als Verhältnis der spezifischen Aktivität der gebildeten biologisch aktiven Produkte zur spezifischen Aktivität der biologisch aktiven Lösung bzw. Suspension im Bereich von 0,5 < = a < = 8 erreicht wird, d. h., biologisch aktive Substanzen mit relativ niedriger spezifischer Aktivität ergeben biologisch aktive Produkte mit höherer spezifischer Aktivität,

- bei Wahrung der Partikelform und Einhaltung einer hohen spezifischen Oberfläche eine geschlossene Versiegelung aller

biologisch aktiven Produkte beliebiger Ursprungsgeometrie mit einer dünnen Inertstoffschicht, die als Lösung oder Dispersion unter Einhaltung des o.a. Benetzungsgradbereiches auf die Oberfläche des biologisch aktiven Produktes aufgebracht wird, erfolgt.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß bei der Konditionierung der thermolabilen biologisch aktiven Substanzen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren thermisch bedingte Aktivilätsverluste vermieden werden.

Welterhin'ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch charakterisiert, daß

- als Trägerstoff Salze (z. B. Natriumsulfat, Natriumtripolyphosphat), Salzyemische, aktives biologisches Produkt (z. B. Unterkorn oder zerkleinertes Überkorn), Gemische aus Salzen und biologisch aktiven Produkten eingesetzt werden,

- als Fluidisierungsmittel ein Gas-Dampf-Gemisch, das maximal auf 16O⁰C erwärmt wird, verwendet wird,

- oberflächenaktive Substanzen zur Verbesserung der Verteilung der Lösung oder Suspension auf der Oberfläche des fluidisieren Trägerstoffes und/oder quellfähige Stoffe (z.B. Stärkeprodukte), die die Löslichkeit der biologisch aktiven Produkte verbessern, zugegeben werden und

- im Zusammenhang mit dem jeweiligen Verwendungszweck der biologisch aktiven Produkte Inertstoffe wie Wachse, farbgebende Stoffe, oberflächenaktive Substanzen, gegebenenfalls unter Zusatz Von Enzymen in Lebensmittelqualität, zugegeben werden, so daß dadurch Forderungen an Arbeitshygiene und Lagerstabilität entsprechen wird sowie verbraucherspezifische Forderungen (z.B. Aktivität, Farbe, Korngröße, Löslichkeit) erfüllt werden.

Ausführungsbeispiele

Beispiel 1

In einem Wirbelschichtapparat werden nach Vorlage von 3,5kg Natriumsulfat (als Trägerstoff) 7,3kg einer Alkalischen Proteaselösung (mit 1500TE_Hb/ml) zu einem Granulatprodukt mit Standardaktivität (z.B. 2400TE_Hb/g) unter Einhaltung des

Benetzungsgrades φ = 0,65 verarbeitet. Die Lufteintrittstemperatur des Fluidisierungsmittels beträgt 125°C. Die

Geschwindigkeit des Fluidisierungsmittels liegt bei 3,1 m/s, bezogen auf den freien Apparatsquerschnitt.

Nach Abschluß der Trocknung und Formgebung erfolgt mit 3,0kg einer wäßrigen Suspension aus wasserlöslichem Wachs (z. B.

10%Protexan), Farbstoff (z.B. 0,5% Heliogenblau L7080), Pigmenten (z.B. Titandioxyd) und oberflächenaktiver Substanz (z.B.

1 %o Präwozell N 9) die Versiegelung der Granulate. Das Fluidisierungsmittel hat dabei eine Eintrittstemperatur von 30°C und eine Geschwindigkeit, bezogen auf den freien Apparatequerschnitt, von 3,1 m/s.

Ein thermisch bedingter Aktivitätsverlust konnte nicht ausgewiesen werden.

Beispiel 2

In einem Wirbelschichtapparat werden nach Vorlage von 3,5kg Natriumtripolyphosphat als Trägerstoff 21,0kg einer biologisch aktiven Lösung (z. B. alkalische Proteaselösung mit 600TE,i_b/ml) zu einam Granulatprodukt mit Standardaktivität (z.B. 2400TE_Hb/g) unter Einhaltung des Benetzungsgrades von Φ = 0,52 verarbeitet. Die Eintrittstemperatur des Fluidisierungsmittels beträgt 120⁰C. Die Geschwindigkeit des Fluidisierungsmiuels liegt bei 2,5m/s, bezogen auf den freien Apparatequerschnitt. Nach Abschluß der Trocknung und Formgebung erfolgten mit 3,0kg einer wäßrigen Suspension aus wasserlöslichem Wachs (z.B. 7% Oxidwachs A), Farbstoff (z.B. 0,5%o Heliogenblau L7080), Pigmenten (z.B. 7%Titandioxyd), einer anderen biologisch aktiven Komponente (z.B. 5% a-Amylase mit 50000IE/g) und oberflächenaktiver Substanz (z.B. 1 %o Präwozell N 9) die Versiegelung der Granulate und die Einarbeitung einer zweiten biologisch aktiven Komponente in

Lebensmitielqualität in das Granulat.

Das Fluidisierungsmittel hat dabei eine Eintrittstemperatur von 00°C und eine Geschwindigkeit, bezogen auf den freien Apparatequerschnitt, von 2,5m/s.

Ein thermisch bedingter Aktivitätsverlust konnte nicht ausgewiesen werden.

Beispiels In einem Wirbelschichtapparat werden nach Vorlage von 3,5kg Natriumsulfat als Trägerstoff 7,8 kg einer biologisch aktiven

Suspension von alkalischer Protease mit 1500TE_Hb/ml, a-Amylase mit 50000IE/ml, Füllstoff (z.B. 3% Heweten), Sprengmitte!

(z.B. 3% Stärkehydrolyseprodukt) und 1 %o oberflächenaktive Substanz (Präwozell N9) zu einem Granulatprodukt mit Standardaktivität (z.B. 2400T£_Hb/g, bezogen auf alkalische Protease) unter Einhaltung des Benetzungsgrades von Φ = 0,73 verarbeitet. Die Eintrittstemperatur des Fluidisierungsmittels beträgt 125⁰C. Die Geschwindigkeit des Fluidisierungsmittels liegt bei 3,1 m/s, bezogen auf den freien Apparatequerschnitt. Nach Abschluß der Trocknung und Formgebung erfolgt mit 3,0 kg einer wäßrigen Suspension aus wasserlöslichem Wachs (z. B. 8% Oxidwachs A), Farbstoff (z. B. 0,5%o Heliogenblau L7080), Pigment

(z. B. 5%Titandioxyd), Füllstoff (z. B. 5% Heweten) und oberflächenaktiver Substanz (z. B. 1 %o Präwozell N 9) die Versiegelung der Granulate.

Das Fluidisierungsmittel hat dabei eine Eintrittstemperatur von 9O⁰C und eine Geschwindigkeit, bezog Jf den freien Apparatequerschnitt, von 3,1 m/s.

Ein thermisch bedingter Aktivitätsverlust konnte nicht nachgewiesen werden.

Claims (4)

1. Konditionierung von biologisch aktiven Substanzen in einer bekannten technischen Vorrichtung im Fluidisierungsregime, dadurch gekennzeichnet, daß die Konditionierung von biologisch aktiven Substanzen durch gleichzeitige Trocknung und Formgebung ohne Zusatz von Bindemitteln mit nachfolgender Versiegelung in einer Verfahrensstufe so durchgeführt wird, daß

- biologisch aktive Substanzen, bevorzugt Enzyme, als Lösung oder Suspension auf die Oberfläche

eines f luidisierten Trägerstoffes aufgebracht werden, wobei ein Benetzungsgrad Φ als Verhältnis der eingebrachten Lösungs- oder Suspensionsmenge zur maximal möglich einzubringenden Lösungs- oder Suspensionsmenge aufwerte von 0,45 < Φ < 0,85 eingestellt wird, wobei die maximal möglich einzubringende Lösungs- oder Suspensionsmenge durch den Sättigungswert des Fluidisierungsmittels bestimmt wird,

- ein Aktivitätsfaktor a als Verhältnis der spezifischen Aktivität der gebildeten biologisch aktiven

Produkte zur spezifischen Aktivität der biologisch aktiven Lösung bzw. Suspension im Bereich von 0,5 < a < 8 erreicht wird,

- eine geschlossene Versiegelung aller biologisch aktiven Produkte beliebiger Ursprungsgeometrie bei Wahrung der Partikelform und Einhaltung einer hohen spezifischen Oberfläche mit einer dünnen Inertstoffschicht, die als Lösung oder Dispersion unter Einhaltung des o. a. Benetzungsgradbereiches auf die Oberfläche des biologisch aktiven Produktes aufgebracht wird, erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägerstoff Salze, wie z. B. Natriumsulfat, Natriumtripolyphosphat, Salzgemische, biologisch aktive Granulate, wie z. B. Unterkorn oder zerkleinertes Überkorn, Gemische aus Salzen und biologisch aktiven Produkten eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluidisierungsmittel ein Gas-Dampf-Gemisch, das maximal auf 16O⁰C erwärmt wird, verwendet wird.

4. Verfahren nacli uen Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Versiegelung der biologisch aktiven Produkte mit Hilfe von Inertstoffen, z. B. Wachsen, farbgebenden Stoffen, Enzymen in Lebensmittelqualität, wie a-Amylase, oberflächenaktiven Substanzen bzw. deren Gemischen, erfolgt.