SE455103B - Berare for immobilisering av biologiskt aktivt organiskt material, vilken utgores av sammanfogade partiklar av en poros sintrad glasfibermatris - Google Patents

Description

455 10 15 20 25 30 35 103 no~aau 2 Det kan i detta sammanhang nämnas att det vid bio- logisk avloppsvattenrening är känt att använda filter av mineralull, varvid exempelvis kan hänvisas till NO utläggningsskriften 147 639 och SE patentansökan 7308380-O.

Det är härvid väsentligen fråga om mineralullsmattor av byggkvalitet med i föreliggande sammanhang alltför hög genomsläpplighet och otillfredsställande formstabilitet.

Filterkroppar av glasfibrer är även kända inom tekniken, men härvid rör det sig inte om sintrade glas- fibermatriser, utan filterkroppen sammanhålles av ett polymerbindemedel, såsom ett akrylatharts. En sådan struktur är olämplig för den användning som avses vid uppfinningen, eftersom polymerbindemedlet dels kan på- verka det biologiskt aktiva materialet, dels vid fram- ställning av täta, sammanpressade filterkroppar kan flyta ut och blockera porerna så att en homogen och enhetlig porositet inte erhålles.

Härutöver är det känt genom US patentet 4 404 291 och DE patentet 3 103 751 att för t ex högtemperaturfilt- rering, absorption av vätskor och såsom bärare för kata- lytiskt aktiva material, använda ett poröst, sintrat material med låg densitet. Enligt denna kända teknik sammansintras ett oporöst, pulverformigt utgångsmaterial bestående av glas, glaskeramiskt material eller konven- tionellt keramiskt material, för erhållande av det slut- liga, porösa, sintrade materialet. Materialets porositet utgöres härvid enbart av hålrummen mellan de sintrade pulverpartiklarna.

Föreliggande uppfinning har till ändamål att åstad- komma en ny bärare för immobilisering av biologiskt aktivt material, vilken bärare är fast, inert, har god fofmstabilitet, hög inre totalyta, är enhetlig och helt öppen, har homogen och reglerbar porositet och en struk- tur, som kännetecknas av släta och mjukt avrundade inre ytor.

Ovanstående ändamål uppnås genom att bäraren en- ligt uppfinningen utgöres av en porös formkropp bestå- 10 15 20 25 30 35 455 103 3 ende av sammanfogade partiklar av en porös, sintrad glas- fibermatris med en densitet av 20-2000 kg/m3, varvid de sintrade glasfibrerna i partiklarna har en ursprunglig diameter av 0,3-100 um, och att partiklarna vid sina kon- taktpunkter med varandra sammanhålles med bindning erhål- len i samband med karbonisering av organiskt bindemedel.

Mellan de sammanfogade partiklarna bildas ett kanal- system, vilket tillåter vätskeströmning och därmed god vätskekontakt med de enskilda partiklarna. Partiklarnas inre porväggar bildas av solida glasfiber-"balkar" med väldefinierad diameter, vilka sammansintras i kontakt- punkterna. Genom sådan sammansintring erhålles en glas- fibermatris med tredimensionell galler- eller nätstruktur, som har släta, homogena och mjukt avrundade inre ytor, vil- ket ger hög styrka och styvhet och är synnerligen lämplig med hänsyn till transport av substrat och produkter. Glas- fibermatrisen kännetecknas vidare av att den låter sig utföras med extremt fina porer utan att därför den öppna porstrukturen går förlorad. Detta till skillnad från andra metoder att framställa poröst glas. Som exempel kan nämnas att vid de vanligaste metoderna erhåller porerna formen av sfäriska hàlrum, vilka är förbundna med varandra via för- trängda öppningar. Vid en annan framställningsprincip bildar porerna jämförelsevis slutna kanaler, vilka erhål- les genom selektiv syrautlösning av en fas i en flerfasig glasblandning. Vid gängse pulversintringsmetoder erhålles en låg volymandel porer. Vid fina pordimensioner blir dessutom en betydande del av porerna av sluten typ.

Med en sintrad glasfibermatris avses att de ursprung- liga glasfibrerna vid en förhöjd temperatur sammanpressats underftryck så att fibrerna vid sina kontaktpunkter sam- mansmälter till bildning av en enhetlig matris. Den sin- trade glasfibermatrisen bildar ett tredimensionellt nät- verk med en regelbunden öppen struktur med hög gas- och vätskegenomsläpplighet. Block bestående av sintrad glas- fibermatris sönderdelas därefter till partiklar eller skivor. 455 l0 15 20 25 30 35 103 4 _, På grund av det faktum att bäraren enligt'uppfin- ningen utgöres av sammanfogade, porösa partiklar erhålles så att säga dubbel porositet, nämligen dels en "yttre" porositet, dels en "inre" porositet. Med yttre porositet avses härvid förhållandet mellan den hàlrumsvolym som bildas mellan de sammanfogade partiklarna och bärarens totalvolym, medan med inre porositet avses förhållandet mellan porvolymen hos de sammanfogade, porösa partiklarna och dessas totalvolym.

Det är ett viktigt och utmärkande faktum för bäraren enligt uppfinningen att den genom sin sammansättning uppvisar såväl en yttre porositet som en inre porositet, varvid den inre porositeten främst utnyttjas för en säker och störningsfri immobilisering av det biologiskt aktiva materialet, såsom t ex ett enzym, medan den yttre porositeten bidrar till en effektiv kontakt mellan det biologiskt aktiva materialet och det fluidum pà vilket det är avsett att verka för att därigenom uppnå en optimal reaktion och en effektiv borttransport av bildade produk- ter.

Den inre porositeten hos de sintrade glasfiber- matrispartiklarna bestäms allmänt av matrisens densitet och.diametern hos de använda fibrerna. vid en densitet motsvarande den hos det använda glaset erhålles en helt kompakt och oporös matris, vilket ligger utanför ramen för föreliggande uppfinning. Allmänt gäller att partik- larna i bäraren enligt uppfinningen har en densitet i omrâdet 20-2000 kg/m3, företrädesvis 300-2000 kg/m3, varvid en densitet i området 1500-2000 kg/m3 är särskilt föredragen.

Medeldiametern hos de glasfibrer som används för att framställa de sintrade partiklarna i bäraren enligt uppfinningen ligger allmänt i området 0,3-100 um, före- trädesvis 0,5-5 pm, varvid en fiberdiameter av 0,5-3 um särskilt föredrages. Generellt gäller att de mindre fiberdiametrarna möjliggör erhållande av partiklar med fina porer samtidigt som den gynnsamma tredimensionella 10 15 20 25 30 35 455 103 5 nätstrukturen bibehàlles. I detta avseende är en fiber- diameter understigande ca S pm särskilt förmånlig. Par- tiklar med fina porer och öppen nätstruktur föredrages vid uppfinningen, eftersom de är särskilt väl ägnade att immobilisera biologiskt aktivt material med liten dimension, såsom enzymer och bakterier, samtidigt som effektiv transport av substrat och produkter möjlig- göres.

Såsom antytts ovan, bestäms porstorleken hos de sintrade partiklarna i bäraren enligt uppfinningen av partiklarnas densitet och diametern hos de fibrer som utnyttjas för framställning av partiklarna. Genom lämp- ligt val av dessa parametrar kan således önskad porstor- lek erhållas hos partiklarna. Lämpligen har partiklarna enligt uppfinningen en porstorlek av högst ca 20 um, vanligen ca l-20 pm. Det föredrages att porstorleken ligger i området l-15 um, varvid en porstorlek av ca 5-10 pm är särskilt föredragen. För tydlighets skull skall här nämnas att med uttrycket “porstor1ek" avses diametern hos en cirkulär por, som har lika stor tvär- snittsarea som porerna hos de sintrade partiklarna.

Den angivna porstorleken avser vidare medelvärdet för partiklarnas samtliga porer. Spridningen kring detta medelvärde för de enskilda porernas porstorlek är dock ganska liten om fibrer med samma diameter används för framställning av partiklarna.

Såsom angivits tidigare, utgöres partiklarna i bäraren enligt uppfinningen av en sintrad glasfiber- matris. Sammansättningen av det glas som utnyttjas är inte kritisk bortsett från att glaset givetvis måste vara sådant att det går att fibrera. Det är således möjligt att inom uppfinningens ram variera partiklarnas glassammansättning på màngahanda sätt. Även om formen hos den porösa, sintrade glasfiber- matrisen inte är kritisk och kan varieras på otaliga sätt, föredrages det dock att den ursprungligen fram- u 455 10 15 20 25 30 35 1.14;- 103 6 ställes i form av en plan skiva. En sådan skiva erhålles enkelt genom att genomföra sintringcn av glasfibermatrisen mellan två pressplattor vid förhöjt tryck och temperatur.

Den färdiga skivan kan ha valfri tjocklek, men företrä- desvis ligger tjockleken i området 0,05-5 cm, helst 0,05-2 cm. Den färdiga skivan sönderdelas därefter för erhållande av fragment eller regelbundna stycken med en genomsnittlig diameter av ca 0,005-5 cm, företrädesvis 0,005-0,05 cm. Med uttrycket "genomsnittlig diameter" avses härvid diametern hos en sfär med lika stor volym som det ifrågavarande fragmentet eller stycket. Frag- menten kan även ha formen av skivor med en tjocklek av 0,02-0,5 cm. Med diameter menas då genomsnittliga skivbredden.

Glasfibermatrisen skall efter sintring till block således finfördelas till partiklar, vilka var och en består av en tredimensionell nätstruktur. Genom sin strukturella uppbyggnad får dessa hög mekanisk styrka.

De har härigenom god tolerans mot att staplas i kolonn eller att utsättas för påkänningar vid mekanisk omröring.

Före användning enligt uppfinningen sammanfogas de till en tredimensionell nätverksstruktur i samband med karbo- nišering av ett organiskt bindemedel. Detta sker lämp- ligen så, att glasfibermatrispartiklarna sammanföres löst till den önskade strukturen, t ex i en form, var- efter det organiska bindemedlet tillsättes, t ex i form av flytande monomer för det organiska bindemedlet eller, vid termoplastiska bindemedel, i form av smält binde- medel. När strukturen impregnerats med bindemedel eller bindemedelsmonomer bringas detta att stelna respektive polymerisera så att en fast, självbärande struktur er- hålles. Den så erhållna strukturen upphettas därefter, företrädesvis i luft, för “karbonísering“ av det organiska bindemedlet, som därvid i huvudsak fullständigt bortgár från strukturens fria partikelytor, men förmedlar en bindande verkan vid partiklarnas angränsande eller an- liggande kontaktytor, så att den ursprungligen löst LT) 10 is 20 25 30 35 455 103 7 sammanförda strukturen bildar en fast sammanhållen enhet med öppen struktur, som består av sammanfogade partiklar av porös, sintrad glasfibermatris, vilka partiklar vid sina kontaktpunkter med varandra sammanhálles med karbo- niserat, organiskt bindemedel. Det skall således särskilt noteras att trots att strukturen i sin helhet indränkts med det organiska bindemedlet avlägsnas bíndemedlet vid karboniseringen i huvudsak fullständigt fràn partik- larnas fria ytor. Någon igensättning av partiklarnas porer förorsakas alltså inte av det organiska bindemedlet, utan den färdiga bäraren uppvisar den ovan antydda, fördelaktiga kombinationen av yttre och inre porositet.

Det organiska bindemedel som används vid uppfinningen utgöres lämpligen av ett organiskt polymerbindemedel.

Utan att därigenom begränsa uppfinningen härtill, kan såsom exempel pà föredragna polymerbindemedel nämnas akrylatplaster, såsom polymetakrylat och polymetylmet- akrylat, inbegripet monomerer för bildning av dessa polymerer; vinylacetatplast, såsom polyvinylacetat; och vinylacetalplast, såsom polyvinylacetal och poly- vinylbutyral.

Mycket komplicerade former (rör, spiraler etc) kan erhållas genom ett alternativt och relativt enkelt framställningsförfarande. Härvid impregneras först par- tiklarna med högviskös vätskeformig polymer (t ex uretan- -dimetakrylat eller reaktionsprodukten av bisfenol-A och glycidylmetakrylat (BIS-GMA)) som klibbar samman partiklarna. Kornmassan kan nu ges önskvärd form. Formen kan initialt fixeras genom att åtminstone den ytligt belägna polymeren bríngas till härdning. Detta kan ske t ex genom upphettning eller bestràlning med UV-stràl- ning alternativt synligt ljus. Härdningssättet avgöres av vilka inítiatorer och acceleratorer som tillsatts enligt tidigare väl känd teknik. Den sålunda formade och (eventuellt) fixerade kroppen upphettas därefter, eventuellt efter inbäddning i eldfast material, till en temperatur som är tillräckligt hög för att åstadkomma e 455 105 10 15 20 25 30 35 8 en vidhäftning av kornen i deras kontaktpunkter.

Betingelserna för karbonisering av polymerbindemedlet är inte kritiska, bortsett från att temperaturen inte får vara så hög att glasfibermatrispartiklarnas mjuk- ningspunkt överskrides och partiklarna mjuknar med följd att partiklarnas porer faller ihop. Temperaturen vid karbonisering av bindemedlet skall alltid hållas vid en tillräckligt låg temperatur för att glasfibermatris- partiklarnas porer skall bibehållas intakta. Allmänt kan sägas att ett lämpligt temperaturområde ligger vid ca soo-7oo°c, företrädesvis vid ca sso-sso°c, varvid ca 600°C är en för närvarande särskilt föredragen tem- peratur.

Den atmosfär som används vid karboniseringen är inte kritisk och kan lämpligen utgöras av luft.

Tiden för genomförande av karboniseringen skall vara tillräcklig för att fullständigt karbonisera det organiska bindemedlet, och en tid av ca 15-60 min är i allmänhet tillfredsställande. I de flesta fall är en tid av ca 30 min tillräcklig.

Såsom beskrivits tidigare, kan glasfibermatris- partiklarnas porositet, dvs bärarens inre porositet, regleras inom vida gränser genom reglering av fiber- diameter och sintringstryck. På motsvarande sätt kan bärarens yttre porositet regleras genom lämpligt val av glasfibermatrispartiklarnas dimensioner. Såsom nämnts, sönderdelas den sintrade, porösa glasfiberma- trisen i partiklar med en genomsnittlig diameter av ca 0,005-5 cm, företrädesvis ca 0,005-0,05 cm. Normalt föredrages att partiklarna uppvisar en relativt snäv kornstorleksfördelning, dvs alla partiklarna har i huvudsak samma genomsnittliga diameter, för att däri- genom skapa en bärare med i huvudsak homogen yttre porositet. Det är dock ingenting som hindrar, om så skulle önskas, att man blandar partiklar med olika genomsnittlig diameter för att därigenom åstadkomma 10 15 20 25 30 35 455 105 9 en bärare med varierad yttre porositet. Det är även möjligt att uppbygga bäraren skiktvis av olika lager med skiljaktig partikelstorlek så att den yttre poro- siteten är väsentligen homogen i varje enskilt skikt, men varierar från skikt till skikt.

Såsom angivits ovan, sker framställningen av bäraren lämpligen genom att glasfibermatrispartiklarna sammanfogas löst i en form, varefter det organiska bindemedlet tillsättes. Användningen av en form med- för möjlighet att variera bärarens form på mângahanda sätt, såsom t ex skivform, sfärisk form, cylindrisk form, kubisk form eller liknande.

Vid användning av bäraren enligt uppfinningen immo- biliseras först det aktuella, biologiskt aktiva materi- alet, sàsom ett enzym, i bäraren, genom att exempelvis impregneras med en lösning eller dispersion av det aktiva materialet. Är denna en mikroorganismsuspension kommer den härvid att sugas upp såsom av en svamp och kan där- efter utvecklas genom bildandet av mikrokolonier i nät- strukturen. Bäraren med immobiliserat aktivt material är därefter färdig för användning, t ex för att genomföra en enzymkatalyserad kemisk reaktion. Bäraren kan därvid ha formen av aggregat eller stycken, som helt enkelt nedföres i reaktionsmediumet, vilket kan utgöras av en substratlösning för enzymet. När bäraren bringas i kon- takt med reaktionsmediumet startar reaktionen och för att underlätta och påskynda reaktionen kan reaktions- mediumet lämpligen omröras. När reaktionen avslutats eller förlöpt till önskat stadium separeras bäraren frán reaktionsmediumet genom filtrering eller genom att bärarstyckena helt enkelt upptages ur reaktions- mediumet.

Vid en annan typ av användning av bäraren enligt uppfinningen har den formen av en skiva eller platta.

Bärarskivans tjocklek kan varieras efter önskan, men ligger företrädesvis i området 0,05-2 cm. Bärarskivan "- 455 103 10 15 20 25 30 35 10 kan i övrigt ha valfri form, t ex cirkulär, elliptisk, eller polygonal, såsom rektangulär eller kvadratisk.

På motsvarande sätt som beskrivits ovan, immobiliseras först det biologiskt aktiva materialet i bärarskivan genom att t ex impregnera skivan med en lösning eller dispersion av det aktiva materialet, varefter bärarskivan är färdig för användning, t ex för en analytisk uppgift.

Det fluidum som skall påverkas av det immobiliserade biologiskt aktiva materialet bringas sedan i kontakt med bärarskivan, t ex genom att låta fluidumet strömma genom skivan. Ett exempel härpá är en substratlösning, som strömmar genom en bärarskiva, i vilken ett enzym är immobiliserat. Reaktionen kan utföras satsvis, men kan även utföras kontinuerligt genom att bärarskivan in- sättes över tvärsnittet i en rörreaktor, så att reagens- fluidumet (t ex en substratlösning) passerar skivans tjocklek. Vid lämplig kombination av vätskeövertryck och densitet hos bärarmaterialet kan betydande vätske- mängder forceras genom bäraren. Om reagensfluidumet skall utsättas för flera reaktioner efter varandra, såsom flera pâ varandra följande enzymatiska reaktioner, kan detta enkelt genomföras genom att anordna flera bärarskivor på lämpligt avstånd och i följd efter var- andra i rörreaktorn, varvid varje enskild bärarskiva är försedd med immobiliserat aktivt material (enzym) för respektive reaktion. På detta sätt kan synnerligen kompakta och effektiva biotekniska system skapas.

Av den ovan givna beskrivningen inses att uppfin- ningen åstadkommer en för immobilisering av biologiskt aktivt material avsedd bärare med mycket önskvärda och fördelaktiga egenskaper, såsom stor formstabilitet och hållfasthet, en öppen, gallerartad struktur, med en väldefinierad och reproducerbar, enhetlig porositet och porstorlek. Bäraren är vidare inert gentemot ifråga- kommande biologiskt aktiva material och deras reaktions- 1: ., lll 10 15 20 25 30 35 ;4"v- Ü ß <5 455 103 ll produkter samtidigt som den har affinitet för immobili- sering av biologiskt aktiva material.

Glasets yta kan ges positiva grupper genom silani- sering. Glasets sammansättning kan varieras, spårelement kan inkorporeras vilka genom jonutbyte med omgivningen kan påverka mikroorganismernas levnadsbetingelser.

Andra fördelar hos glasstrukturen är dess hydrofila karaktär (underlättar substratabsorption mm) samt dess goda mekaniska och termiska egenskaper. Genom de goda mekaniska egenskaperna skyddas t ex härbärgerade celler mot påverkan under omröring eller vid stapling i kolonn.

Bäraren sönderfaller ej heller genom påverkan av celler under delning eller inverkan av inre tryck i samband med gasbildande reaktioner. Den termiska stabiliteten ger tálighet mot höga processtemperaturer och sterili- serbarhet. Den angivna metoden för framställning av poröst glas i form av en tredimensionell nätstruktur har fördelen av att ge en helt öppen struktur med en hög porvolym och stor inre totalyta, vilken struktur inte innehåller sfäriska, helt eller delvis slutna rum.

Härvid erhålles bästa förutsättningar för substrat- och produkttransport genom bärarmediet. Metoden möjlig- gör, under förutsättning av att fibrerna har en diameter understigande 5 um, dessutom framställning av extremt finporiga (finmaskiga) strukturer med porer, vars genom- snittsdíameter är mindre än 10 pm, med bibehållande av angivna fördelar. Detta är inte möjligt med någon annan tidigare beskriven metod. Ur effektivitetssynpunkt är det speciellt önskvärt att porstorleken är ca 5 ggr cellstorleken men ej större än 10 ggr densamma. Som bärare av mikroorganismer är därför finporiga strukturer médïporstorlekar mindre än 10 um, särskilt sådana med porer inom intervallet 3-10 pm, speciellt önskvärda.

Porstorlekar mindre än 3 um är à andra sidan optimala i samband med enzymprocesser medan porstorlekar större än 10 um är önskvärda i samband med odling av t ex dägg- dfiursceller. a »01014

Claims (8)

4 :- r- DI) 10 15 20 25 30 'iUá 12 PATENTKRAV
1. l. Bärare för immobilisering av biologiskt aktivt, organiskt material, k ä n n e t e c k n a d därav, att den utgöres av en porös formkropp bestående av sam- manfogade partiklar av en porös, sintrad glasfibermatris med en densitet av 20-2000 kg/m3, varvid de sintrade glasfibrerna i partiklarna har en ursprunglig diameter av 0,3-100 um, och att partiklarna vid sina kontakt- punkter med varandra sammanhàlles med bindning erhållen i samband med karbonisering av organiskt bindemedel.
2. 2. Bärare enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att de porösa partiklarnas genomsnittliga por- diameter är högst 20 pm.
3. 3. Bärare enligt kravet 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d därav, att de porösa partiklarna har en genomsnittlig diameter av 0,005-5 cm, företrädes- vis 0,005-0,05 cm.
4. 4. Bärare enligt kravet l eller 2, k ä n n e - t e c k n a d därav, att de porösa partiklarna har formen av skivor med tjockleken 0,02-0,5 cm.
5. 5. Bärare enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d därav, att bindemedlet utgöres av ett karboniserat organiskt polymerbindemedel.
6. 6. Bärare enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a d därav, att bindemedlet utgöres av karboniserat polyakry- lat, polyvinylacetat eller polyvinylacetal.
7. 7. Bärare enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d därav, att formkroppen utgöres av en skiva med en tjocklek av 0,5-5 cm.
8. 8. Bärare enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d därav, att i formkroppen mellan- rummen mellan de sammanfogade porösa partiklarna bildar ett helt öppet porsystem. ii: