DE4106623B4

DE4106623B4 - Hydroxylgruppenhaltige Celluloseacetat-Mikrokugeln und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE4106623B4
Application number: DE19914106623
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr. Loth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2011-02-28
Also published as: DE4106623A1

Abstract

Hydroxylgruppenhaltige Celluloseacetat-Mikrokugeln, dadurch gekennzeichnet, dass sie sphärische Teilchen darstellen, die eine Teilchengröße von 0,1 bis 50 μm aufweisen, aus einem kompakten Celulloseacetatkern sowie einer cellulosischen Schicht – die 1 bis 50 % der Gesamt-Teilchenmasse beträgt – im Oberflächenbereich bestehen und die bei Quellung in Wasser ein Sedimentationsvolumen von 0,5 bis 4 ml/g sowie eine Porosität für Meso und Makroporen von < 0,4 ml/g aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft hydroxylgruppenhaltige Celluloseacetat-Mikrokugeln und ein Vrefahren zu ihrer Herstellung und kann für die Herstellung von speziellen Trenn- und Trägermaterialien angewendet werden, die für chromatografische und diagnostische Zwecke im Bereich der Biotechnologie, Biochemie und Medizin einsetzbar sind.
Celluloseacetat-Mikrokugeln sin als Zwischenprodukte bei der Herstellung von prösen perlförmigen Celluloseformkörpern zwar prinzipiell bekannt, haben bisher jedoch weder als chromatografisches Material noch als Träger für Enzyme, Zellen und andere Liganden Bedeutung erlangt. Gründe dafür sind – im Gegensatz zu den durch Verseifung erhaltenen Cellulosekugeln – vor allem das Fehlen geeigneter funktioneller Gruppen, die eine Aktivierung und Kopplung von Proteinen und anderen Liganden ermöglichen, und die geringe Hydrophilie von Celluloseacetat.
Aus diesem Grunde beinhalten die meisten vorgeschlagenen Lösungen einen Verfahrensschritt zur Verseifung der erhaltenen Celluloseacetat-Mikrokugeln. Dazu werden die Teilchen meist isoliert und anschließend unter heterogenen Bedingungen im wäßrigen oder wäßrig-alkoholischen Medium mit Alkalilauge behandelt. Wird dabei z.B wie in EP-PS 0 348 352 verfahren, werden Celloluse-Teilchen hoher Porosität erhalten.
Die EP 00 47 064 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von porösen, sphärischen Cellulosepartikeln. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein organischer Celluloseester in einem chlorierten Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel gelöst und mit Säure oder Alkali vermischt. Unter Tröpfchenbildung wird diese Mischung in einem wässrigen Medium suspendiert. Das Lösungsmittel wird abgedampft und die entstandenen Partikel aus Celluloseacetat werden abgetrennt. Zuletzt werden die Celluloseacetatpartikel vollständig zu porösen Cellulosepartikeln verseift.
Da die Isolierung, Reinigung und oft auch Zwischentrennung der Celluloseacetat-Teilchen unökonomisch ist, wurde vorgeschla gen die Verseifung durch Zugabe von Alkali zur Celluloseacetat-Lösung vor oder während der Tröpfchenbildung vorzunehmen (JP-PS 62-253 601).
Derartige Perlcellulose-Produkte können nun an den Hydroxylgruppen aktiviert und weiter fuktionalisiert werden, doch ist es für verschiedene Anwendungen unnötig oder gar ungünstig, die gesamte Matrix zu modifizieren da die biochemische Wechselwirkung mit den Liganden meist nur an der hydrophilen Oberfläche des Teilchens erfolgt.
Zur Beseitigung dieser Nachteile wurde in DE-OS 502 329 ein Verfahren zur Herstellung poröser kugelförmiger Celluloseacetat-Teilchen beschrieben, die durch einen Acetylierungsgrad von 49 bis 60% einen Teilchendurchmesser von 0,05 bis 10 mm eien Sphärizität von 0,7 oder größer und eine Zusammenfallfestigkeit von 9 kg oder größer charakterisiert sind. Wesentlich für die beschriebenen Produkte ist, daß die Acetatgruppen an der Oberfläche weitgehend verseift sind. Damit werden zwar die Nachteile der geringen Hydrophilie und des Fehlens aktivierbarer funktioneller Gruppen an der Teilchenoberfläche beseitigt sowie die mechanische Stabilität am Vergleich zu Perlcellulose verbessert, doch sind die beschriebenen Teilchen für eine Reihe von Anwendungen viel zu groß.
Das in DE-OS 3 502 329 geschilderte Verfahren zur Herstellung von porösen, kugelförmigen Celluloseacetat-Teilchen besteht darin, daß Celluloseacetat mit einem Veresterungsgrad von 2 bis 2,8 in einem Essisäure/Wasser-Gemisch (80/20 bis 90/10 Massenteile) gelöst und die 25 ±7 Massenanteile in % Celluloseacetat enthaltende Lösung in ein Fällbad aus Essigsäure/Wasser (30/70 bis 42/58 Massenteile) gesprüht bzw. getropft wird Anschließend werden die gefällten Teilchen abgetrennt, gewaschen, getrocknet und ggf. durch Behandlung mit einer wäßrigen NaOH von 0,2 bis 2 Massenanteilen in % während 1 bis 6 min verseift. Die wesentlichen Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß keine Teilchen unter 50 μm herstellbar und diese meist auch sehr stark deformiert und agglomeriert sind. Außerdem ist die Isolierung, Reinigung und Trocknung der Celluloseacetat-Kugeln vor der Verseifung aufwendig und damit unökonomisch.
Ein allgemeiner Nachteil aller bisher beschriebenen Teilchen stellt vielfach ihre poröse Struktur dar, die eine Verringerung der mechanischen Stabilität und häufig eine unnötige Aufnahme bzw. Bindung von Flüssigkeit oder anderen, u.U. sehr teuren, Liganden bewirkt.
Ziel und Aufgabe der Erfindung sind hydroxylgruppenhaltige Celluloseacetat-Mikrokugeln, die so vorteilhafte Eigenschaften wie Sphärizität, geringe Teilchengröße und Porosität, bei gleichzeitig weitgehender Lokalisierung der cellulosischen Hydroxylgruppen im Oberflächenbereich der Teilchen aufweisen, sowie die Entwicklung eines einfachen und ökonomisch vorteilhaften Verfahrens zu deren Herstellung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöste daß die hydroxylgruppenhaltigen Celluloseacetat-Mikrokugeln sphärische Teilchen darstellen, die eine Teilchengröße von 0,1 bis 50 μm aufweisen und aus einem annähernd kompakten Celluloseacetatkern sowie einer weitgehend cellulosischen Schicht im Oberflächenbereich bestehen, wobei der Anteil dieser Schicht 1 bis 50 Masse-% der Gesamt-Teilchenmasse beträgt. Die Kompaktheit der Mikrokugeln wird durch die Quellung in Wasser (Sedimentationsvolumen SV) bzw. die Porosität (P) der Meso- und Makroporen charakterisiert. Diese Größen betragen bei den erfindungsgemäßen Celluloseacetat-Mikrokugeln für SV 0,5 bis 4 ml/g und für P (Meso- und Makroporen) <0,4 ml/g.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß man Celluloseacetat in einem flüchtigen nicht mit Wasser mischbaren Lösungsmittel löst, diese Lösung in einem wäßrigen Medium dispergiert, die entstandenen Polymerlösungströpfchen durch Abdampfen des Lösungsmittels verfestigt und während oder nach dem Abdampfem des Lösungsmittels einen solchen Teil der Oberflächenschicht der resultierenden Mikrokugeln mit einem Alkali- oder Ammoniumhydroxid verseifte daß der Anteil der dadurch entstehenden cellulosischen Schicht im Oberflächenbereich 1 bis 50 Masse-% der Gesamt-Teilchenmasse beträgt.
Die Verseifung erfolgt dabei direkt im Dispersionsmedium und vorzugsweise noch bevor das gesamte flüchtige Lösungsmittel verdampft ist.
Durch die begrenzte Diffusion des Alkalihydroxids in die Polymerlösungströpfchen wird gewährleistete daß die Verseifung nur an der Phasengrenze erfolgt und die entstehenden Hydroxylgruppen sich in erster Linie in der Oberflächenschicht der resultierenden Mikrokapseln befinden, so daß ein annähernd kompakter Kern aus Celluloseacetat erhalten bleibt.
Als Celluloseacetat wird vorzugsweise Cellulosetriacetat verwendet, jedoch können auch Celluloseacetate mit einem Substitutionsgrad zwischen 2 und 3 eingesetzt werden was aber zur vollständigen Lösung solcher Celluloseacetate in C₁- und/oder C₂-Halogenkohlenwasserstoffen, wie z.B. Methylenchlorid, Chloroform, Tetrachlormethan, Dichlorethan, Trichlorethan usw. allein oder in Mischung, ggf. in an sich bekannter Weise einen Zusatz von Methanol, Ethanol, Aceton, Dioxan u.ä. erforderlich machen kann.
Die Konzentration der Celluloseacetatlösung kann in weiten Grenzen, je nach der angestrebten Teilchengröße, variiert werden, wobei zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mikrokugeln, mit Teilchendurchmessern von 0,1 bis 50 μm, Lösungen mit 0,5 bis 30 Masse-% Celluloseacetat vorteilhaft sind.
Außerdem erweist es sich als zweckmäßig, dem Dispersionsmedium Schutzkolloide, wie z.B. Gelatine, Polyvinylalkohole wasserlösliche Cellulosederivate u.ä. und/oder geeignete Emulgatoren zuzusetzen.
Zur Erzielung sehr kleiner Teilchengrößen ist es notwendig, den Dispergierprozeß mittels intensiv wirkender Dispergiergeräte zu unterstützen, wofür Kolloidmühlen, hochtourig laufende Mischer oder auch Ultraschallgeräte geeignet sind. Meist genügt es, die Dispergierung nur kurzzeitig zu Beginn des Eintragens der Celluloseacetatlösung in das Dispersionsmedium vorzunehmen und anschließend mit einem üblichen Rühren die Zerteilung aufrechtzuerhalten.
Die Verdampfung des Lösungsmittels erfolgt unmittelbar nach Beginn des Dispergierprozesses, indem Luft oder Stickstoff durch oder über die Dispersion geblasen wird. Die erforderlichen Verdampfungszeiten richten sich vor allem nach der Menge des zu entfernenden Lösungsmittels, der Intensität des Gasstromes und der Verdampfungstemperatur. Letztere kann zwischen Raumtemperatur (ca. 10 bis 30 °C) und dem Siedepunkt des Lösungsmittels gewählt werden. Als günstig erwies es sich, die Verdampfung bei Raumtemperatur (ca. 10 bis 30 °C) zu beginnen und dann bei langsam bis maximal knapp (ca. 1 °C) unter den Siedepunkt steigender Temperatur zu beenden.
Die Verseifung der Partikeloberfläche erfolgt während oder nach dem Verdampfungsprozeß vorzugsweise durch Zugabe von konzentrierter, insbesondere 10 bis 45 Masse-% NaOH enthaltender, wäßriger Natronlauge, in solchen Mengen, daß die Endkonzentration an NaOH im Dispersionsmedium 0,05 bis 1 N ist.
Die zur Verseifung von 1 bis 50 % der ursprünglich vorhandenen Acetatgruppen notwendige Reaktionszeit beträgt im Temperaturbereich von 20 bis 50 °C 5 bis 360 min. Nach dieser Zeit wird die Reaktion durch Neutralisation der Lauge in an sich bekannter Weise mittels Mineral- oder Essigsäure abgebrochen und die Verdampfung des Lösungsmittels ggf. komplettiert.
Anschließend erfolgen die Abtrennung und das Auswaschen der erhaltenen hydroxylgruppenhaltigen Celluloseacetat-Mikrokugeln. Das kann in üblicher Weise durch Absaugen auf einer Fritte oder durch Zentrifugaton und mehrfaches Waschen mit Wasser erfolgen.
Die cellulosischen Hydroxylgruppen der erfindungsgemäßen Celluloseacetat-Mikrokugeln können nunmehr aktiviert und ggf. über Spacer mit den unterschiedlichsten Liganden, wie z.B. Proteinen, Lecitinen, Farbstoffen usw., in vorteilhafter Weise gekoppelt werden.
Beispiel 1:
Eine Lösung von 4 g Celluloseacetat mit einem Essigsäuregegehalt von 60 %- in 100 ml CH₂Cl₂ wird bei Raumtemperatur (ca. 10 bis 30 °C) in 1000 ml Wasser, das 5 g Gelatine und 1 g Emulgator (langkettiges Alkylsulfonat) enthält, eingetragen und mit einem Rührwerk bei ca. 10 000 U/min dispergiert. Wach 10 min wird die Drehzahl auf ca. 2000 U/min reduziert und zur rascheren Verdampfung des CH₂Cl₂ ein Luftstrom über die Dispersion geleitet. Gleichzeitig wird eine Lösung von 14 g NaOH in 20 ml Wasser zugetropft und weitere 60 min bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wird die Mischung durch Zugabe von 20-masseprozentiger, wäßriger H₂SO₄ neutralisiert und durch langsame Erhöhung der Temperatur auf 40 °C innerhalb von 2 h das restliches CH₂Cl₂ entfernt. Die resultierende Dispersion wird bei g = 1000 zentrifugiert und das Sediment durch wiederholtes Aufschlämmen und Abschleudern fünfmal mit Wasser gewaschen.
Es werden sphärische, hydroxylgruppenhaltige Celluloseacetat-Mikrokugeln mit einem Essigsäuregehalt von 51 %, einer Teilchengröße von 2 bis 20 μm und einem annähernd kompakten Kern aus Celluloseacetat erhalten.
Das Sedimentationsvolumen beträgt 1,2 ml/g und das Porenvolumen an Meso- und Makroporen ca. 0,08 ml/g.
Beispiel 2:
4 g Celluloseacetat mit einem Essigsäuregehalt von 60 % werden in einem Gemisch aus 70 ml Methylenchiorid, 10 ml Acton und 20 ml Ethanol gelöst. Diese Lösung wird bei 25 °C unter intensi vem Rühren in 1000 ml Wasser, das 5 g Gelatine und 1 g Emulgator enthält, eingetragen und 10 min dispergiert.
Nach 10 min werden 10 g 20%-ige Natronlauge zugegeben und weitere 30 min bei gleichzeitigem überleiten eines Luftstromes bei 25 °C gerührt. Anschließend wird noch 30 min bei 30 °C, 60 min bei 40 °C und weitere 60 min bei 50 °C gerührt.
Durch Zugabe von 20 %-iger Schwefelsäure wird die Mischung neutralisiert.
Das entstandene Produkt wird durch Filtration abgetrennt und gründlich mit Wasser gewaschen.
Es werden sphärische hydroxygruppenhaltige Celluloseacetat-Mikrokugeln mit einem Essigsäuregehalt von 36 % und einer mittleren Teilchengröße von ca. 20 μm erhalten. Das Sedimentationsvolumen beträgt 2ml/g und das Porenvolumen an Meso- und Makroporen ca. 0,2 ml/g.
Beispiel 3:
Gemäß Beispiel 1 wurden hydroxylgruppenhaltige Celluloseacetat-Mikrokugeln hergestellt, wobei die Zugabe der Natronlauge erst nach der Verdampfung des Methylenchlorids, d.h. nachdem die Mischung 2 h bei 40 °C gerührt worden war, erfolgte und vor der Schwefelsäurezugabe die Dispersion noch 10 min bei 40 °C gerührt wurde.
Der Essigsäuregehalt in den resultierenden Mikrokugeln betrug 54 % und die mittlere Teilchengröße ca, 5 μm.
Beispiel 4:
Gemäß Beispiel 2 wurden hydroxylgruppenhaltige Celluloseacetat-Mikrokugeln hergestellt, wobei als Celluloseacetat lösung einen Lösung von 20 g Celluloseacetat in 110 ml Methylenchlorid verwendet wurde.
Per Essigsäuregehalt in den resultierenden Perlen betrug 55 % während die mittlere Teilchengröße ca 30 μm betrug.

Claims

Hydroxylgruppenhaltige Celluloseacetat-Mikrokugeln, dadurch gekennzeichnet, dass sie sphärische Teilchen darstellen, die eine Teilchengröße von 0,1 bis 50 μm aufweisen, aus einem kompakten Celulloseacetatkern sowie einer cellulosischen Schicht – die 1 bis 50 % der Gesamt-Teilchenmasse beträgt – im Oberflächenbereich bestehen und die bei Quellung in Wasser ein Sedimentationsvolumen von 0,5 bis 4 ml/g sowie eine Porosität für Meso und Makroporen von < 0,4 ml/g aufweisen.
Verfahren zur Herstellung der hydroxylgruppenhaltigen Celluloseacetat-Mikrokugeln nach Anspruch 1 durch Dispergieren einer Lösung, die aus Celluloseacetat, einem flüchtigen, nicht mit Wasser mischbaren Lösungsmittel sowie ggf. weiteren Zusätzen besteht, in einem wässrigen, geeignete Schutzkolloide und/oder Emulgatoren enthaltenden Dispersionsmedium, Verdampfen des Lösungsmittels und Verseifen der Celluloseacetat-Mikrokugeln, gekennzeichnet dadurch, dass die Verseifung mit wässriger 0,05 bis 1 N Alkalilauge im Dispersionsmedium während oder nach dem Verdampfen des Lösungsmittels bei einer Temperatur von 20 bis 50 °C erfolgt und nach Reaktionszeiten von 5 bis 360 min durch Neutralisation mit Mineral- oder Essigsäure bzw. Auswaschen der Alkalilauge abgebrochen wird.