CH615362A5

CH615362A5 -

Info

Publication number: CH615362A5
Application number: CH103675A
Authority: CH
Inventors: Jiri Coupek; Otakar Dr Mikes; Petr Strop; Miroslava Krivakova
Original assignee: Ceskoslovenska Akademie Ved
Priority date: 1974-02-01
Filing date: 1975-01-29
Publication date: 1980-01-31
Also published as: JPS50114391A; FR2259850B1; DE2503774C2; SE409463B; NL183297C; NL7501199A; AU7804075A; CS171962B1; NL183297B; GB1493985A; US4139684A; AT346583B; JPS585202B2; DE2503774A1; ATA67275A; FR2259850A1; SE7500958L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ionenaustauschermaterialien. Das Material eignet sich besonders zur Isolation und Chromatographie von empfindlichen Stoffen, vorwiegend biologischer Herkunft, wie z. B. von Ei-weissstoffen, Polypeptiden, Antigenen, Enzymen, Nuclein-säuren und derer hochmolekularen Fragmenten.

Die beschriebene Isolierung gehört zu einer der elementaren und sehr wichtigen chemischen Operationen, wobei das Ausnützen des Materials mit den zum Ionenaustausch fähigen Gruppen eine von den zu diesen Zwecken wichtigsten Operationen bildet. Ionenaustauschermaterialien besitzen noch eine Reihe von weiteren bedeutsamen Anwendungen. Bisher hergestellte Ionenaustauschermaterialien werden den Verwendungsanforderungen, obwohl schon sehr viele entwickelt wurden, nicht immer gerecht. Es sind einerseits Materialien natürlichen Ursprungs (verschiedene Alumosilikate, z. B. Zeolite), anderseits durch einfache Umsetzung von natürlichen Stoffen hergestellte Materialien (z. B. sulfonierte Kohle), besonders aber synthetische, anorganische und organische Materialien. Von den anorganischen synthetischen Ionenaustauschern verwendet man eine nicht zu hohe Anzahl; neben synthetischen Zeoliten sind heute Phosphate, Molybdenate und Wolframate des Thoriums, Titans und besonders des Zirkoniums von Bedeutung. Von den organischen synthetischen Ionenaustauschern wurde eine grosse Menge von Materialien — anfänglich von den ältesten, den Phenol-Formaldehyd-Harzen und Karbamidharzen bis zu den modernen Mischpolymerisaten von Acrylsäure und derer Derivate mit Divinylbenzol und Styrol-Divinylbenzol-Ionenaustauschern — hergestellt und erzeugt.

Für die Isolierung und die Chromatographie von empfindlichen Stoffen biologischer Herkunft, welche einen komplizierten Molekularaufbau (primäre, sekundäre und tertiäre Struktur, wie z. B. Eiweissstoffe und Polypeptide, Nucleinsäure und deren Fragmente) aufweisen, sind die angeführten Ionenaustauschertypen in der Mehrheit nicht geeignet. Sie besitzen entweder ungeeignete ionogene Eigenschaften (anorganische Ionenaustauscher), oder es geschehen an den Oberflächen von hydrophoben aromatischen Matrizen starke hydrophobe Wechselwirkungen, die die höheren Strukturen der empfindlichen biologischen Produkte zerstören und sie denaturieren (organische Ionenaustauscher). Bei der Verwendung dieser Ionenaustauscher gehen deshalb übermässige Mengen der wertvollen Materialien verloren oder deren Verwendung wird überhaupt unmöglich. Es wurden deshalb hydrophile Ionenaustauscher, welche die natürlichen Polymerisate nicht denaturieren und die für Makromoleküle zugänglicher sind, hergestellt. Es sind besonders Ionenaustauscherderivate der Cellulose (z. B. Carboxymethylcellulose, Diäthylaminoäthyl-cellulose u. a.) und Ionenaustauscherderivate des Poly-dextrans (z. B. Carboxymethylderivat, Diäthylaminoäthyl-derivat, Sulfoäthyl- oder Sulfopropylderivat und quaternisier-tes Aminoäthylderivat des Polydextrans). Bei diesen Ionenaustauschern ist es vorteilhaft, dass sie die polysaccharidartige Struktur der Ketten mit violen hydrophilen Hydroxygruppen mit sehr wenigen Querverbindungen (bei Polydextranen)

oder dass sie die fibrillförmige Cellulosestruktur aufweisen; grosse Poren ermöglichen bei diesen Ionenaustauschern die Penetrierung von Makromolekülen zu den Funktionsgruppen. Diese Produkte werden heute auf den Markt von einigen Firmen für die Zwecke der Sorption und Chromatographie von Eiweissstoffen, Polypeptiden, Nucleinsäuren, deren Fragmente und von anderen Stoffen geliefert. Sie werden nicht nur im Labor, sondern auch in Betriebsmassstab angewendet.

Den Nachteil dieser Produkte, bei deren Herstellung man von mechanisch nicht sehr wiederstandsfähigen und chemisch wenig beständigen Materialien biologischer Herkunft (Cellulose, Polydextran) ausgeht, bildet die relativ kleine mechanische Festigkeit und die geringe chemische Beständigkeit. Zum weiteren Nachteil gehört Form und Eigenschaften der Partikeln. Fibrillbündel der Cellulose kann man nicht in kugeliger Form herstellen, obwohl man heute für die Herstellung von Ionenaustauschern natürlich Fäden verkürzt. Die Partikeln in der Säule erreichen bei höheren Drücken eine Form des gepressten Filzes, die Säule wird verstopft und deswegen sind diese Materialien bei der modernen Flüssigkeitschromatographie, wo man immer höhere Durchflussgeschwindigkeiten und Drücke verwendet und kugelförmige Partikeln erfordert werden, nicht perspektiv. Auch für allgemeine Betriebszwecke ist diese Form der Partikeln nicht besonders geeignet.

Polydextrane werden zwar in der Form von Perlen hergestellt, die aber sehr weich sind und ihr Volumen in Abhängigkeit von der Ionenstärke des Lösungsmittels verändern. Sie erlauben deshalb das Regenerieren und Durchwaschen mit Wasser in den Säulen nicht. Für jede Anwendung ist es nötig, die Kolonne wiederum zu füllen, was die Labor- und besonders Betriebsanwendungen erschwert. Ausserdem kommt es bei erhöhten Durchflussgeschwindigkeiten und höheren Drücken zu Deformationen der weichen Sphäroiden und zum Verstopfen der Säulen. Aus diesem Grund ist auch dieser Typ von Ionenaustauschern für die Zwecke der modernen Flüssigkeitschromatographie wenig geeignet. Beide Typen von Ionenaustauschern — auf Basis von Cellulose und Polydextran - sind

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auf extreme pH-Werte besonders bei erhöhter Temperatur und auf Oxidations- und andere chemische Mittel empfindlich. Ausserdem werden sie durch manche hydrolytische Enzyme zersetzt und sie sind durch Mikroorganismen leicht angreifbar.

Die genannten Nachteile werden durch die erfindungsge-mäss hergestellten Ionenaustauschermaterialien grösstenteils überwunden.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung der neuen lonenaustauschermaterialien ist in den Patentansprüchen spezifiziert.

Die ternäre Mischpolymerisation in Suspension wird in wässrigem Dispersionsmilieu in Gegenwart von Suspensions-Stabilisatoren ausgeführt. Als Stabilisatoren dienen beispielsweise Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylalkohol, teilweise hydro-lysiertes Polyvinylacetat oder einige natürliche polymere Stoffe, wie z. B. Stärke und Pektine.

Vernetzungsmittel sind dann vorzugsweise Monomere mit zwei oder mehreren Acryloyl- oder Methacryloyl-Funktions-gruppen, wie z. B. Alkylendiacrylate, Alkylendimethacrylate, Oligoglykol- und Polyglykoldimethacrylate, Alkylenbisacryl-amide, Alkylenbismethacrylamide und Divinylbenzol. Die Polymerisation wird in Gegenwart von inerten organischen Komponenten, deren Charakter und Konzentration die Porenverteilung von gewonnenen Produkten beeinflusst, durchgeführt.

Das hergestellte Material mit makroporöser und semi-makroporöser Matrix des hybriden Aero-xerogels gibt dem Ionenaustauscher gute mechanische Stabilität, Druckbeständigkeit und chemische Stabilität. Das entstandene Material ist resistent gegen saure und alkalische Hydrolyse, oxidations-beständig und widerstandsfähig gegen den Einfluss von organischen Lösungsmitteln. Weil die Ausgangsmonomeren nicht zu Stoffen biologischer Herkunft gehören, die geeignete Substrate für Mikroorganismen bilden können, sind die erhaltenen Materialien auch gegen den Angriff der Bakterien und Schimmelpilze beständig. In wässrigen Lösungen quellen die Materialien nur wenig und ändern keinesfalls ihre Grösse in Abhängigkeit von der Ionenstärke auch bei hohen Ionenaus-tauschkapazitäten. Deshalb werden sie leicht regeneriert. Die leichte Regulierung der Porengrösse in breitem Ausmass bei der Darstellung erlaubt das Durchdringen von natürlichen makromolekularen Polymerisaten bis zur Molekulargewicht-grösse von Millionen von Molekulargewichtseinheiten unter Erhaltung aller Vorteile. So wird die Herstellung von Materialien ermöglicht, die zum gegebenen Zweck optimal an-gepasst werden. Überdies durch die Auswahl von geeigneter Porosität kann man die Selektivität für verschieden grosse Moleküle erreichen.

Diese Eigenschaften machen die Anwendung der neuen lonenaustauschermaterialien im Labor- und Betriebsausmass in normalen Behältern oder in Druckgefässen möglich. Ihre Verwendung in der sich entwickelnden Flüssigkeitschromatographie und bei der preparativen Sorption zu Herstellungszwecken in Säulen und in Chargen ist ebenfalls möglich. Weil die Ionenaustauscher die Biopolymeren nicht denaturieren, sind diese Materialien zu ihrer Sorption und Chromatographie geeignet. Ihre praktische Verwendung wird dadurch nicht begrenzt. Die erfindungsgemäss erhaltenen lonenaustauschermaterialien können in Form von kugelförmigen Sphäroiden, aber auch von Blöcken oder Schrot, Membranen, Röhren, Fäden oder Folien oder Bänden hergestellt werden. Fäden oder Saiten kann man in Ionenaustauschertextilien für die kontinuierliche Sorption und Desorption auf einem Laufband einweben.

Das Verfahren zur Herstellung dieser Ionenaustauscher wird im weiteren in den Beispielen erläutert.

Beispiel 1

In gläsernem Autoklav mit Volumen 1 Liter, der mit einem rostfreien Ankerrührer mit kontinuierlich regulierbaren Umdrehungen, Thermometer und Temperungsmantel versehen ist, wurden innerhalb von 12 Stunden bei 80° C in Suspension 32,7 Gewichtsteile 2-Hydroxyäthylmethacrylat, 24,5 Gewichtsteile Äthylendimethacrylat, 24,5 Gewichtsteile N,N-Diäthylaminoäthylmethacrylat, 88,8 Gewichtsteile Cyclo-hexanol und 19,5 Gewichtsteile Dodecylalkohol in 600 Gewichtsteilen Wasser mischpolymerisiert. Suspension wurde mit 6 Gewichtsteilen Polyvinylpyrrolidon (BASF Mw = 750 000) stabilisiert. Als Auslöser der radikalischen Polymerisation diente Azobisisobutyronitril (0,8 Gewichtsteile). Nach Polymerisationsende wurde das Gel vollkommen mit Wasser und Äthanol durchgewaschen, nach Teilchengrösse fraktioniert und seine Austauschkapazität wurde auf üblicher Weise titri-metrisch bestimmt (1,28 mäquiv./g). Ähnlich wurde ternäre Mischpolymerisation mit verschiedenen Anfangskonzentrationen von N,N-Diäthylaminoäthylmethacrylat durchgeführt. Auf der Abbildung wird die Abhängigkeit der Austauschkapazität der ternären Mischpolymerisate von der Anfangskonzentration des ionogenen Monomeren veranschaulicht. An der Y-Achse werden Austauschkapazitäten der Produkte in Milli-äquivalenten HCl auf 1 g des trockenen Polymerisats bezogen an der X-Achse die Konzentration (in %) von N,N-Diäthyl-aminoäthylmethacrylat im Ausgangsgemisch von Monomeren aufgetragen.

Beispiel 2

Die Herstellung von stark saurem Kationaustauscher wurde auf ähnlicher Weise wie im Beispeil 1 mit dem Unterschied durchgeführt, dass als ionogenes Monomeres 2-Sulfoäthyl-methylacrylat verwendet wurde. Nach der Fraktionierung von sphärischen Partikeln des Produktes wurde analog wie im Beispiel 1 die Austauschkakapazität (1,39 mäquiv./g) bestimmt.

Beispiel 3

41,6 Gewichtsteile 2-Hydroxyäthylacrylat, 32 Gewichtsteile Diäthylenglykolmethacrylat und 2,2 Gewichtsteile N,N-Diäthylaminoäthylmethacrylat wurden in Gegenwart von 90 Teilen Cyclohexanol und 10 Teilen Laurylalkohol in derselben Einrichtung wie im Beispiel 1 mischpolymerisiert. Nach der Isolation und dem Durchwaschen des Produktes wurde seine Austauschkapazität bestimmt.

Beispiel 4

Das Polymer mit makroporöser Struktur wurde auf ähnliche Weise wie im Beispiel 1 mit dem Unterschied hergestellt, dass als das ionogene Monomere N,N-Diäthylamino-äthylmethacrylamid verwendet wurde.

Beispiel 5

33,5 Gewichtsteile Diäthylenglykolmonomethacrylat, 32 Gewichtsteile Äthylenglykoldimethacrylat und 16,5 Gewichtsteile 2-Sulfoäthylmethacrylamid wurden in Gegenwart von 100 Gewichtsteilen Cyclohexanol in der im Beispiel 1 beschriebenen Einrichtung mischpolymerisiert. Das makroporöse in Form von sphärischen Partikeln gewonnene Polymerisat wurde nach Durchwaschen mit Wasser und Äthanol nach Teilchengrösse auf den Sieben fraktioniert. Fraktion von 100-200 [tm wurde zur Bestimmung der Austauschkapazität verwendet (0,73 mäquiv./g).

Beispiel 6

Das Kopolymere wurde analog wie im Beispiel 1 hergestellt, mit dem Unterschied, dass als das ionogene Monomere

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Methacrylsäure verwendet wird und die ternäre Mischpolymerisation mit 35 Gewichtsteilen 2-Hydroxyäthylmethacrylat und 32 Gewichtsteilen Äthylendimethacrylat in Gegenwart von 92,5 Gewichtsteilen Cyclohexanol und 10 Gewichtsteilen Dodecylalkohol durchgeführt wurde. Das entstandene Poly- 5 merisat wurde nach dem Durchwaschen fraktioniert und als schwach saurer Kationaustauscher verwendet.

Beispiel 7

33 Gewichtsteile Äthylenglykolmonoacrylat, 32 Gewichtsteile Methylenbisacrylamid und 18 Gewichtsteile Diäthyl-aminoäthylacrylat wurden in Gegenwart von 100 Gewichtsteilen Hexanol ähnlich wie im Beispiel 1 mischpolymerisiert. In der Form von sphärischen Partikeln gewonnenes Polymerisat wies die Austauschkapazität 0,7 mäquiv./g aus.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung von makroporösen, festen Ionenaustauschermaterialien, welche insbesondere für die Isolation von biologisch wirksamen Stoffen bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass man nichtionogene Gruppen enthaltende hydrophile Monomere, aus der Gruppe von Hy-droxyalkylacrylaten, Hydroxyalkylmethacrylaten, Oligo- und Polyglykolacrylaten, Oligo- und Polyglykolmethacrylaten, Acrylamiden, Methacrylamiden, N-substituierten Acrylami-den und Methacrylamiden, mit Acryl- oder Methacrylsäure oder ionogene Gruppen enthaltenden Monomeren der allgemeinen Formel

CH2=C-COX,

worin

R = CH3 oder H und

^.R-2

X = -ORj-N , —OR1SO3H, -NH-Ri-N ,

R3 R3

-NH-Rj-S03H,

mit

Ri = Alkylen, R2, R3 = Wasserstoffatom, Alkyl, Hydroxy-alkyl oder Aminoalkyl,

bedeuten,

und mit Vernetzungsmitteln in wässrigem Dispersionsmilieu durch ternäre Mischpolymerisation in Gegenwart von inerten Komponenten und Suspensions-Stabilisatoren umsetzt.
2. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Vernetzungsmittel Monomere aus der Gruppe von Diacrylaten und Dimethacrylaten, wie z. B. Alkylendiacrylate, Alkylendimethacrylate, Oligoglykol- und Polyglykoldiacrylate, Oligo- und Polyglykoldimethacrylate, Alkylenbisacrylamide, Alkylenbismethacrylamide, Divinyl-benzol oder aus der Gruppe von Verbindungen die zwei oder mehrere Acryloyl- oder Methacryloylgruppen enthalten, welche durch Ester- oder Amid-Bindung gebunden werden, verwendet.