Die Erfindung betrifft perlförmige Celluloseprodukte mit einstellbarer Porosität, die als Trenn- und Träger¬ materialien in der Chemie, Biotechnologie, Medizin und Pharmazie für analytische und präparative Zwecke einge¬ setzt werden können und ein Verfahren zu ihrer Herstel— lung.

Partikuläre Cel lulosematerialien gewinnen in den letzten Jahren vor allem als stationäre Phasen bei chromatografischen Trenn- und Reinigungsprozesεen , aber auch als selektive spezifische Adsorbentien , zunehmend an Bedeutung. Zur Herstellung solcher mehr oder weniger porösen Cel lulosepartikel sind bereits eine Vielzahl von Verfahren vorgeschlagen worden. Eine wesentliche Zielstellung dieser Verfahren ist die Herstellung ku— gelförmiger poröser Teilchen, um die resultierenden Produkte in optimaler Weise den jeweiligen meist recht speziellen Trennaufgaben , beispielsweise der Trennung von Proteinen mittels Gelchro atografie, anzu¬ passen . Die Herstellung poröser kugelförmiger Cel luloseteilchen erfolgt in den meisten Fällen durch Herstellung einer Cellulose- oder Cel lulosederivatlösung, Verformung der Lösung zu Tröpfchen, Koagulation der Tröpfchen und Regenerierung der Cellulose. Unterschiede bestehen vor allem in der Art und Weise der Tropf henbildung, z.B. durch Eintropfen bzw. Ein¬ sprühen der Cel luloselösung in ein geeignetes Fällbad

oder durch Dispergieren der Cel luloselöεung in einem geeigneten Lösungsmittel, und der Art und Weise der Koagulation bzw. Regenerierung der Cellulose (vgl. US- PS 2 543 928, U9-P3 3 597 350, DE-OS 2 717 965, DE-OS 2 138 905, DD-PS 118 887, JP-PS 80-44312).

Problematisch bei allen diesen Verfahren ist die Ein¬ stellung einer definierten Porosität der Celltilos— ematrix. Aus diesem Grunde wurden verschiedene Verfahren vorge- schlagen, wie man z.B. über die Cellulosekonzentratio (DE-OS 1 792 230) oder durch Zusätze zur Cel lulosederi- vatlösung als Porenbildner (US-PS 4 312 980) die Poren¬ größe variieren kann. Gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Porenstruktur durch zusätzliche Verwendung eines bifunktionellen Vernetzungsmittels der allge¬ meinen Formel X—R-Z fixiert wird, wobei X und Z Halo¬ gen— oder Epoxygruppen und R einen C3- bis C10— Ikylen— reεt darstellen (US-PS 3 598 245). Die hierbei erhal¬ tenen Produkte sind zwar prinzipiell für gelchro ato— grafische Trennungen von gelösten hochmolekularen Sub¬ stanzen geeignet, doch weisen unmodifizierte Cellulose— teilchen den generellen Nachteil auf, daß sie mit ver¬ schiedenen Proteinen eine unspezi ische Wechselwirkung eingehen, wodurch ihre universelle Ersetzbarkeit eige- schränkt wird.

Günstigere Eigenschaften besitzen hydroxyethy1- bzw. hydi-oxypropylgruppenhaltige Produkte, die gemäß der US- PS 3 598 245 durch gleichzeitige Umsetzung von getrock¬ neten Regeneratcelluloseteilchen mit einem Vernetzungs— ittel hergestellt werden können. Diese Lösung weist jedoch mehrere Nachteile auf. So wird z.B. das Laufver— halten in chromatografischen Säulen durch den Einsatz faserförmiger Regeneratcel lulosepartikel ungünstig be¬ einflußt. Ein weiterer Nachteil ist die ungenügende mechanische Stabilität der Gele, die insbesondere bei einem hohen Gehalt an Hydroxypropylgruppen und niedri¬ gem Vernetzungsgrad zu verringerten DurchflLtßgeschwin- digkeiten oder gar zu. Verstopfungen der Säulen führen können. Auch ist von Nachteil, daß sich diese hochge- quollenen Gele bereits in Wasser teilweise auflösen (J.S. Ayers, M.J. Petersen, B.E. Sheerin , G.S. Bethell: J. Chromatography 294(1984), S. 195-205) und damit für chromatografiεche Zwecke nicht einsetzbar sind. Der für gelchromatografische Trennungen ausnutzbare Poroεitätε- bereich ist relativ eng begrenzt und liegt unter SxlO ^* " ^** Dalton.

Ziel der Erfindung ist es, perlförmige Celluloseproduk¬ te und ein Verfahren zur Herstellung perlförmiqer porö¬ ser Celluloseprodukte mit verbesserten Eigenscha ten, insbesondere einer hydrophilen reversibel quellbaren Cel luloεematrix mit einer in weiten Grenzen gezielt einstellbaren Porenstruktur bei gleichzeitiger Unter— dückung unspezifischer Wechsel irkungen mit Biomakromo¬ lekülen zu entwickeln.

Der ErfindLing liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine geeignete Vorbehandlung von Regeneratcel luloseteilchen verbunden mit einer chemischen Modifizierung zu perl- föi*— igen Cel luloseprodukten zu kommen, die vorteilhaf¬ te Eigenschaften, insbesondere eine hydrophile, rever¬ sibel quellbare Cel lulosematrix mit definierter Porosi¬ tät und guter mechanischer Stabilität besitzen und möglichst keine unspezifischen Wechselwirkungen mit Proteinen aufweisen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß wasserfeuchte perlförmige makroporöse Regeneratcel lulo— seperlen mit einem Wassergehalt von 85 bis 95 g/lOOg Gesamtmasse zunächst bis a if einen definierten Wasser¬ gehalt zwischen 10 und 95 g/lOOg Gesamtmasse getrocknet und anschließend im alkalischen Medium mit einer bi— unktioneilen C__.-C_»-Halogen— und/oder Epoxyverbindung als Vernetzungsmittel und einer monofunktionel len Halo¬ gen- oder Epoxyverbindung als Hydroxyalkylierungsmittel im geschlossenen System bei 313 bis 373 K während 10 bis 360 min umgesetzt werden. Die Aufarbeitung bzw. Reinigung der resultierenden porösen Cel lulosederivat- teilchen erfolgt in bekannter Weise durch Neutralisa¬ tion von überschüssigem Alkalihydroxid, gründliches Auswaschen der Nebenprodukte, Klassierung sowie ggf. Trocknung. Im Falle einer Trocknung erweist sich eine vorherige zumindest teilweise Verdrängung des Wassers durch Methanol, Ethanol oder Aceton bzw. eine Gefrier¬ trocknung als vorteilhaft.

Erfindungεge äß verwendet man als Cel luloseauεgangsma- terial wasserfeuchte makroporöse perlförmige Teilchen aus Regeneratcel lulose mit einem Durchschnittεpolymeri— sationsgrad (DP) von 150 bis 500, deren Ausschlußgrenze für Maromoleküle zwischen 10** und Sxl ^"7 Dalton liegen. Vorteilhaft für die spätere Anwendung z.B. in chro ato—

grafischen Säulen ist es, von sphärischen Cellulose— teilchen auszugehen, deren Teilchengröße je nach Ein¬ satzzweck im Bereich von 1 bis 2 000 um liegen kann, vorzugsweise jedoch 50 bis 250 um beträgt. Wesentlich für die gezielte Einstellung einer defi¬ nierten Porosität der Cel lulosematrix ist die partielle Trocknung der Cel lLtloseteilchen bis auf einen Reεtwas- εergehalt von 10 bis 95 g/lOOg Gesamtmasse, wobei die Trocknung in üblicher Weise z.B. durch Verdampfen des Wassers bei erhöhter Temperatur, ggf. auch durch Ver¬ drängung mit einem mit Wasser mischbaren Lösungsmittel, wie z.B. C__.—C ₃ —AIkoholen, Aceton, Dioxan , Tetrahydrofu- ran , Di ethylfor amid, Di ethyIsulfoxid erfolgen kann. Das derart vorbehandelte Cel lulosematerial wird dann in einem geschlossenen Gefäß unter Druck mit dem bifunk- tionelleπ Vernetzungsmittel und der monofunktionel len Halogen- oder Epoxiverbindung als Hydroxyalkylierungs- ittel unter Zusatz von Alkalihydroxid umgesetzt. Als bifunktionelle Vernetzungsmittel können beiεpielεweiεe Epichlorhydrin , Dichlorhydrin, Dibrompropanol oder Di— epoxibutan verwendet werden, während bevorzugte mono- funktionelle Hydroxyalky1ierungs ittel Ethylenoxid, Propylenoxi , 2-Chlorethanol und 2-Chlorpropanol sind. Außer durch das Ausmaß der Vortrocknung bzw. Wasser— entfernung werden die Produkteigenschaften durch die eingesetzten Mengen an Vernetzungs- bzw. Hydroxyalky- 1ierungsmittel bestimmt.

Erfindungsgemäß werden für die Erzielung der gewünsch¬ ten Porositätseigenschaften 0,01 bis 0,5 Mol Vernet- zungε ittel und 0 bis 2,5 Mol, vorzugsweise 0,01 bis 2,5 Mol, Hydroxyalkylierungε ittel pro Mol Monomerein¬ heit der Cellulose eingesetzt.

Als alkalisches Medium wird eine wäßrige 5 bis 45 Maεseanteile in V. enthaltende Lösung eines Al alime— tal lhydroxidε, vorzugsweise Natriumhydroxid, verwendet, wobei die einzusetzende Menge mindestens dem εtöchiome- triεchen Verbrauch durch die Reaktanten, insbesondere jedoch 0,1 bis 10 Mol, vorzugsweise jedoch 0,5 bis 5 Mol pro Mol Monomereinheit der Cellulose entspricht. Der Wassergehalt in der Reaktionsmiε hung wird zur Erzielung hoher Reagenzausbeuten möglichst gering ge¬ halten. Dabei können auch inerte oder weitgehend inerte organische Lösungsmittel, wie z.B. Toluen, Benzen, Chlorbenzen, Ethanol , Propanol oder Aceton, zur beεse- ren Durchmischung und zur besseren Verteilung der Reak¬ tanten zugesetzt werden. Die Menge an zuzusetzendem Lösungsmittel beträgt vorzugsweise das 2— bis 50-fache

bezogen auf die eingesetzte Cel lulose asse. In einer speziellen Ausführungsform des erfmdungsge- äßen Verfahrens werden zur Einführung zusätzlicher funktionel ler Gruppen weitere Veretherungsmittel zuge- setzt. Die Zugabe kann dabei gleichzeitig mit dem Ver- netzungε ittel , dem Hydroxyalkylierungsmittel und der Natronlauge oder bereits vor der Trocknung der wasser¬ feuchten makroporösen Perlcel lulose erfolgen. Geeignete Veretherungs ittel zur Einführung ionischer Gruppen sind Halogenalkylcarbonsäuren , wie z.B. Monochloressig- εäure, Halogenalky1phosphonεäuren, z.B. Chlormethyl- phosphonsäure, Halogenalkylsulfonsäureπ , z.B. 2-Chlor- ethylsulfonsäurε, oder deren Salze sowie Halogenalky1- a ine, wie z.B. 2-Chlorethyldiethyla in . Die zur Erzie- lung üblicher Austauschkapazitäten benötigten Mengen an Veretherungsmittel betragen 0,2 bis 1,0 Mol pro Mol Monomereinhei der Cellulose.

Die Vorteile des Verfahrens bestehen vor allem darin , daß durch die Verwendung der makroporösen Cel lulαsema- trix als Ausgangsmaterial und deren gezielte partielle Trocknung das Porensyεte der Cellulose in definierter Weise eingestellt werden kann. Die hierbei erhaltenen perlför igen Cellulosematerialien sind auf Grund ihrer guten mechanischen Eigenschaften in besonderem* Maße für gelchromatografische Zwecke bis zu Molmassen von 10 ⁴ * Dalton geeignet. Durch die gleichzeitige Einführung der stark hydrophilen Hydroxyalkylgruppen wird die unspe¬ zifische Wechselwirkung mit Biomakromolekülen unter¬ drückt. Außerdem sind die Produkte auf Grund ihrer stark hydrophilen Natur, im Gegensatz zu unmodifizier— ter Regeneratcellulose, nach geeigneter Trocknung nahe¬ zu vollständig reversibel quellbar, wodurch nicht nur die Handhabbarkeit verbessert wird, sondern auch die Einsatzmöqlichlichkeiten erweitert werden.

Beispiel 1

91 g wasserfeuchte perlförmige Regeneratcel lulose mit einem DP von 250 (= 10 g = 62 mmol Cellulose) mit einer Teilche größe von 80 bis 200 /um, einem Wassergehalt von 89 g/lOOg Gesamtmasse und einer Ausschlußgrenze von 10 ⁷ Dalton werden mit 15 ml 30 Masseanteile in "/. enthaltender Natronlauge (150 mmol), 5 ml Propylenoxid (72 mmol) und 0,4 ml Epichlorhydrin (5 mmol) intensiv vermischt und in einen druckfeεten Stahlbecher mit einem Fassungsvermögen von 300 ml überführt. Nach dem

Verschließen des Bechers wird das Reaktionsqemiεch unter ständiger Bewegung des Bechers in einem Wasserbad 1,5 h auf 333 K erhitzt. Anschließend wird der Becher auf cza . 303 K abgekühlt, geöffnet und das ReaHtionsgut in ein Becherglas mit 500 ml Wasser eingetragen. Das Produkt wird auf einer Fritte abgesaugt, restliches Alkali mit verdünnter (1 N) Salzsäure neutralisiert und bis zur Chloridfreiheit mit Wasser gewaschen. Es wird ein weißes perlförmiges Cellulosederivat erhalten (10,4 g Trockenmasse) mit einem Sedimentatioπsvolumen von 13,4 rnl/g und einem Wasserrückh itevermögeπ von 485 '/. . Die mit Hilfe von Dextranen unterschiedlichen Moleku¬ largewichtes (MG) sowie mit Proteinen als Model lsubs- tanzeπ chromatografisch bestimmten Verteiluπqεkoeffi— zienten ( _ÄV ) sind in Tabelle 1 dargestellt (Probe 1).

Beispiel 2

Analog Beispiel 1 wird wasserfeuchte perlförmige Rege¬ neratcel lulose derivatisier , wobei anstelle von 0,4 ml Epichlorhydrin 1,6 ml Epichlorhydrin (20 mmol) einge¬ setzt werden. Es wird ein weißes perlförmiges Cel lulosederivat (Probe 2) erhalten mit einem Sedimentationsvolumen von 14,9 ml/g und einem Wasserrückhaltevermögen von 462 "/. . überraschendes Ergebnis ist, daß sich die Quellung der Produkte, die ein Maß für das Porenvolumen ist, von Beispiel 1 und 2 praktisch kaum unterscheidet, obwohl die Menge an Vernetzungsmittel stark variiert wurde. Atich die K__.- _^ -Werte liegen in der gleichen Größenord¬ nung.

Beispiel 3

Waεserfeuchte perlförmige Regenratcel lulose mit einer Teil hengröße von 80 — 200 um und einem Wassergehalt von 89 g/lOOg Gesamtmasse wird zunächst im Rotatioπs- Verdampfer bis auf einen Wassergehalt von 49 g/lOOg Gesamtmasse getrocknet. 20 g des vorgetrockneten Mate¬ rials werden wie in Beispiel 1 mit 15 ml 30 Masseantei¬ le in .'. enthaltender Natronlauge, 5 ml Fropylenoxid und 0,4 ml Epichlorhydrin umgesetzt und aufgearbeitet. Es wird ein weißes perlförmiges Cel lυloεeprodukt erhal¬ ten mit einem Sedimentationsvolumen von 16 ml/g und einem Wasserrückhaitevermögeπ von 550 "/.. Die K«----Werte

sind in Tabelle dargestellt (Probe 3). Sie liegen ver¬ glichen mit Probe 1 deutlich niedriger.

Beispiel 4

Waεserf uchte makroporöse Perlcel lulose mit einer Teil¬ chengröße von 80 - 200 um und einem Wassergehalt von 89 g/lOOg Gesamtmasse wird zunächst im Rotationεverdam- pfer bei 333 K bis auf einen Reεtwasεergehalt von cza . 10 g/lOOg Geεamtmasse getrocknet. 11,0 g des vorge¬ trockneten Perlcel luloεematerialε werden wie in Bei¬ spiel 1 mit 15 ml 30 Masseanteile in "/. enthaltender Natronlauge, 5 ml Propylenoxid und 0,4 ml Epichlorhy- drin umgesetzt und aufgearbeitet. Es wird ein nahezu durchscheinendes gequollenes Cel lulosederivat erhalten (11,0 q Trockenmasse) mit einem Sedimentationsvolumen von 21,9 ml/g und einem Wasserrückhaltevermögen von 655 '/.. Die _βv — erte sind ebenfalls in Tabelle 1 darge— stellt. Sie liegen deutlich niedriger als bei den Pro¬ ben 1 und 3.

Beispiel 5

Analog Beispiel 4 wird Perlcel lulose getrocknet und derivatisiert, wobei anstelle von 0,4 ml Epichlorhydrin 1,6 ml Epichlorhydrin (20 mmol) (Probe 5) bzw. 0,2 ml Epichlorhydrin (2,5 mmol) (Probe 6) eingesetzt werden. Die Sedimentationsvolumina der resultierenden Produkte betragen 7,9 bzw. 47,4 ml/g und die Werte für das Wasserrückhaltevermögen 294 bzw. 894 '/. . Im Gegensatz zu den feucht eingesetzten makroporösen Perlcel lulosen werden bei den vorgetrockneten Perlcel lulosen mit ab- nehmender Vernetzermittelmenge die Quellwerte wesent¬ lich erhöht. Die « _v -Werte liegen jedoch trotz erhöhter Quellwerte deutlich niedriger als bei den vorgetrockne¬ ten Cel luloseperl n mit einem Waεεergehalt von 10 und 50 g/lOOg Gesamtmasse (Tabelle 1) .

Beispiel 6

91 g wasserfeuchte makroporöse Perlcel lulose wird mit einer Lösung von 3 g 2-Chlorethy1-diethyla in-Hydro- chlorid in 30 ml Wasεer 30 min im Rotationsverdampf r

vermischt und dann bis auf einen Restwassergehalt von 10 g/lOOg Geεamtmaεεe getrocknet. Die imprägnierten Celluloεeperlen werden in einen Edelstahlbe her über¬ führt, mit 15 ml 30 Maεseanteile in V. enthaltender Natronlauge, 5 ml Propylenoxid und 1,6 ml Epichlorhy¬ drin vermischt und nach Verschließen des Bechers 1,5 h auf 353 K erhitzt. Die Aufarbeitung des Produktes er¬ folgt wie in Beispiel 1. Die erhaltene Diethylamiπo— ethyl—Perlcel luloεe besitzt eine Auεtauεchkapazität von 0,8 meq/g und ein Sedimentationsvolumen von 5,2 ml/g.

Beispiel 7

Analog Beispiel 6 wird Perlcellulose modifiziert, wobei jedoch 6 g 2—Chlorethyl—diethyla in-Hydrochlori , 0,4 ml Epichlorhydrin, aber kein Propylenoxid eingesetzt wird. Die erhaltene Diethylamiπαethy1—Perlcel luloεe besitzt eine Austauschkapazität von 1,3 meq/g und ein Sedimentationsvolumeπ von 7,2 ml/g.

Beiεpiel 8

Analog Beiεpiel 6 wird Perlcelluloεe modifiziert, wobei jedoch anstelle von 2-Chlorethy1—diethylamin—Hydrochlo— rid 3 g Natrium— onochloroacetat als Veretherungsmittel verwendet werden. Die erhaltene Carboxymethy1-Perlcel- luloεe besitzt eine Austauεchkapazität von 1,0 meq/g und ein Sedimentationεvolumen von 10,1 ml/g.

Beiεpiel 9

Analog Beiεpiel 6 wird Perlcellulose modifiziert, wobei anstelle von 2-Chlorethyl—diethylamin-Hydrochlorid 6 g Natrium-Monochloroacetat als Veretherungsmittel, 0,4 ml Epichlorhydrin, aber kein Propylenoxid verwendet wird. Die erhaltene Carboxymethy1-Perlcel luloεe besitzt eine Austauεchkapazität von 1,5 meq/g und ein Sedimentati¬ onsvolumen von 8,2 ml/g.

Tabelle 1: Verteilungskoeffizienten ( « _v ) für vernetzte Hydroxypropyl-Perlcelluloεe (Bettvolumen; 20 ml)

Probe Probe 6

"=Glukose