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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR PRODUCING HYDROPHILIC POLY-N-VINYLPYRROLIDONE AND USE THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/127789
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing largest possible, spherical, monodisperse polyvinylpyrrolidone (PVP) seed particles in the micrometer range by dispersion polymerization. The particles obtained in this manner are novel starting materials for the production of macroporous polymer particles which can be used in the preparative and analytical chromatography for protein processing. They can also be used as a base material for further reactions. The novel method for the polymerization of N-vinylpyrrolidone which can be carried out in a cost-effective manner allows the production of particles having optimized parameters, such as monodispersity, sphericity and particle diameter, which can be used in further reactions and have advantageous, especially improved properties for the use in chromatographic separation methods.

Inventors:
JOEHNCK, Matthias (Schuetzenstrasse 20, Darmstadt, 64283, DE)
SCHEID, Daniel (Hauptstrasse 31, Bensheim, 64625, DE)
Application Number:
EP2010/002582
Publication Date:
November 11, 2010
Filing Date:
April 27, 2010
Export Citation:
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Assignee:
MERCK PATENT GMBH (Frankfurter Strasse 250, Darmstadt, 64293, DE)
JOEHNCK, Matthias (Schuetzenstrasse 20, Darmstadt, 64283, DE)
SCHEID, Daniel (Hauptstrasse 31, Bensheim, 64625, DE)
International Classes:
C08F26/10; B01D15/08
Foreign References:
US4520180A
US5362815A
EP0887360A1
US4053696A
Other References:
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Attorney, Agent or Firm:
MERCK PATENT GMBH (Frankfurter Strasse 250, Darmstadt, 64293, DE)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln mit hoher Monodispersität und ausgeprägter Sphärizität, dadurch gekennzeichnet, dass N-Vinylpyrrolidon in Gegenwart eines Lösungsmittels, ausgewählt aus der Gruppe Ethanol, Isopropanol, und Dioxan, oder einem Gemisch dieser Lösungsmittel und gegebenenfalls im Gemisch mit Wasser polymerisiert wird und das entstehende Polyvinylpyrrolidon als Polymerpartikel aus der Dispersion erhalten wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die erhaltenen Polymerpartikel als Saatpartikel für die Herstellung von porösen hydrophilen Polymerpartikeln verwendet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation in Gegenwart eines Vernetzers in einer Konzentration von 0,5 bis 2,5 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 2 Gew.-% durchgeführt wird.

4. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation in Gegenwart von Ethanol und/oder Isopropanol in einer Menge von 0,5 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise von 5 Gew.-% durchgeführt wird.

5. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation durchgeführt wird in Gegenwart von Dioxan als Lösungsmittel, welches in einer Konzentration von 1 bis 11 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 3 Gew.-% und besonders bevorzugt in einer Konzentration von 5 bis 10 Gew.-% eingesetzt wird.

6. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der Polymerisation eine Monomerkonzentration von N-Vinylpyrrolidon in einer Menge von 2 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 6 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 2 Gew.-% .eingesetzt werden.

7. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation in Gegenwart eines Stabilisators in einer Menge von 0,8 bis 18 Gew.-%, bevorzugt 2,5 bis 10 Gew.-%, insbesondere bevorzugt in Gegenwart von 6 bis 10 Gew.-%, durchgeführt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation in Gegenwart von Polyvinylacetat als Stabilisators durchgeführt wird.

9. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation in Gegenwart eines Initiators durchgeführt wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der

Initiator in einer Menge von 0,2 bis 5 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 4 Gew.- %, besonders bevorzugt in einer Menge von 1 Gew.-% , zugefügt wird.

11. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Initiator Azobisisobutyronitril eingesetzt wird.

12. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation bei einer Temperatur im Bereich von 60 bis 90 0C, bevorzugt in einem Bereich von 75 bis 900C durchgeführt wird.

13. Verwendung der durch ein Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 hergestellten Polymerpartikel in chromatographischen Trennmethoden.

14. Verwendung der durch ein Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 hergestellten Polymerpartikel zur Herstellung makroporöser Polymerpartikel für die präparative oder analytische Chromatographie in der Proteinaufarbeitung.

15. Polymerpartikel mit hoher Monodispersität und ausgeprägter Sphärizität mit mittleren Partikeldurchmessern im Bereich von < 1μm bis 5 μm und einem Polydispersitätsindex von PDI < 1 ,1, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 12.

Description:
Verfahren zur Herstellung von hydrophilem Poly-N-Vinylpyrrolidon und dessen Verwendung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von sphärischen und hinsichtlich der Partikelgröße sehr eng verteilten PoIy-N-

Vinylpyrrolidon-Partikeln ebenso wie deren Verwendung.

Die Flüssigkeitschromatographie erweckt als Methode zur Aufbereitung, Separierung und Analyse von Biomolekülen, insbesondere Proteinen, zunehmend das Interesse in der Chemie und Biochemie. Hierbei erweisen sich Materialien basierend auf organischen Polymeren für die stationäre Phase als sehr geeignet. Ihre hohe chemische Stabilität ermöglicht den Einsatz unter Bedingungen, unter denen die zur Alternative stehenden Kieselgele nicht verwendbar sind [1].

Für die Wirtschaftlichkeit eines präparativen Chromatographieverfahrens ist eine optimale Trennleistung bei möglichst hohem Durchsatz und zugleich niedrigem Betriebsdruck erforderlich. Entscheidend hierfür sind die Partikelgröße, die Sphärizität und die Monodispersität des Packungsmaterials. Wenn dieses aus unrunden, sehr kleinen oder verschieden großen Partikeln besteht, kann es zu unregelmäßigen Verdichtungen innerhalb der Säule kommen, wodurch die Trennleistung, das Druck-Fluss-Verhalten und die Reproduzierbarkeit negativ beeinflusst werden.

Monodisperse, makroporöse Polymerpartikel waren in der Vergangenheit jedoch nur bis zu einer Größe von maximal 2 μm zugänglich [2].

Ausgehend von den Entwicklungen von J. Ugelstad („Two Step Swelling Process") und J.W. Vanderhoff („Successive Seeding Method") ist es inzwischen möglich, Saatpartikel von geringer Größe durch ein Einquellverfahren um das Vielfache ihres Volumens aufzuwachsen, ohne die Monodispersität zu verlieren [23-28]. Die Herstellung der Saatpartikel erfolgt durch Dispersionspolymerisation und ist in der Literatur ausführlich für Polystyrol und vereinzelt für andere Polymere beschrieben [12,13,14,18,21]. Bei der Isolierung und Reinigung von Proteinen nutzt man die Gegebenheit, dass jedes Biomolekül eine für sich spezifische, adsorptive Wechselwirkung mit der Oberfläche des Chromatographiematerials eingeht. Mit Hilfe der Saatpolymerisation ist es nun möglich, ausgehend von dem Saatpolymer als Trägergerüst, eine Partikelhülle mit einer der Aufgabenstellung angepassten

Oberfläche zu konstruieren. Dies wird durch die Verwendung bestimmter Monomere beim Aufwachsen und/oder einer Oberflächenmodifizierung erreicht, sodass die Immobilisierung des gewünschten Proteins durch funktionelle Gruppen auf der Partikeloberfläche gewährleistet ist [1 ,2,5,6,7,8]. Für die Aufbereitung von Proteinen werden bevorzugt hydrophile Matrizen als Trägermaterial verwendet, da Proteine mit hydrophoben Bereichen der Partikeloberfläche nicht-spezifische Wechselwirkungen eingehen, was sich negativ auf die Trennleistung auswirkt [1 ,3-6].

Es ist bekannt, Polyvinylpyrrolidon durch radikalische Polymerisation von N- Vinylpyrrolidon herzustellen.

Durch die meist thermische Zersetzung von Initiatoren, wie Azoverbindungen oder Peroxiden, entstehen in einem ersten Schritt freie Radikale. Diese reagieren mit einem Vinylpyrrolidonmolekül zu einem neuen Radikal (Kettenstart).

Während des Kettenwachstums werden weitere Monomereinheiten addiert, sodass allmählich Makroradikale entstehen. Das Kettenwachstum wird beendet, wenn zwei Radikale kombinieren oder disproportionieren

(Kettenabbruch). [31]

In Abbildung 1 sind die Reaktionsschritte der radikalischen Polymerisation von Vinylpyrrolidon wiedergegeben.

Die Dispersionspolymerisation ist ein Spezialfall der Fällungspolymerisation.

Zu Beginn der Reaktion liegen das Monomer, der Initiator und der

Stabilisator oder Dispergator in einer homogenen Lösung vor. Während der

Reaktion entsteht eine stabile Dispersion mit dem erzeugten Polymer in der diskontinuierlichen Phase und dem Lösungsmittel in der kontinuierlichen

Phase. Charakteristisch für das Reaktionsmedium ist sein gutes

Lösungsvermögen gegenüber dem Monomer, Initiator und Stabilisator, während das entstehende Polymer ab einem kritischen Molekulargewicht ausfällt. Die entscheidenden Eigenschaften des Stabilisators sind seine polymeraffinen und lösungsmittelaffinen Segmente, sodass er mit dem polymeraffinen Teil von der Oberfläche des entstehenden Polymerpartikels adsorbiert wird und über sterische Effekte Koagulationen und

Verschmelzungen der Partikel verhindert. Als sterischer Stabilisator wird meist ein Polymer oder Copolymer verwendet. Die stabilisierende Wirkung ist unter anderem von seinem Molekulargewicht und seiner Löslichkeit im Reaktionsmedium abhängig.

In Abbildung 2 ist schematisch das Wirkungsprinzip der sterischen Stabilisierung dargestellt (aus:Mini-Encyclopedia of Papermaking Wet-End Chemistry).

Um die Löslichkeit des entstehenden Polymers zu beeinflussen werden auch Co-Stabilisatoren zur Änderung der Polarität des Lösungsmittels oder quervernetzende Substanzen verwendet [11-22, 38J.

Die Größe, die Größenverteilung, das mittlere Molekulargewicht und die Sphärizität der finalen Partikel werden durch zahlreiche

Parametereinstellungen beeinflusst. In der Literatur wurde von verschiedenen Autoren über die Effekte der Art und Konzentration des Monomers, des Initiators und des Stabilisators, sowie von Änderungen der Reaktionstemperatur und der Polarität des Lösungsmittels berichtet.

Einige von ihnen beschreiben basierend auf empirischen Daten ein mechanistisches Modell für die Entstehung und Entwicklung der Polymerpartikel in der Dispersionspolymerisation unter variierenden Reaktionsbedingungen und veränderter Zusammensetzung der Komponenten. Der Ablauf der Dispersionspolymerisation wird in drei zeitlich aufeinander folgende Phasen unterteilt:

- Start der Polymerisation und Kettenwachstum in der kontinuierlichen Phase

- Formierung der Partikel - Wachstumsphase der Partikel Initiierend ist der thermische Zerfall des Startermoleküls in zwei Radikale. Die Reaktion verläuft zunächst im Stadium des Kettenwachstums gemäß der radikalischen Polymerisation in Lösung, bis ein kritisches Molekulargewicht erreicht wird, und das Polymer ausfällt. Während der Formierungsphase agglomerieren die ausfallenden Oligomere zu unstabilen Partikeln und adsorbieren gleichzeitig Stabilisatormoleküle. Dieser Vorgang dauert so lange an bis ausreichend Stabilisatormoleküle adsorbiert wurden, sodass sich stabile Keimpartikel, sogenannte Nuklei, gebildet haben, die vor weiteren Koagulationen geschützt sind.

In der Wachstumsphase absorbieren die Nuklei Monomer, Oligomerradikale und totes Polymer (Kettenabbrüche) aus der kontinuierlichen Phase, sodass ab diesem Zeitpunkt die weitere Polymerisation maßgebend innerhalb der diskontinuierlichen Phase stattfindet.

In Abbildung 3 ist der Verlauf der Entstehung und Entwicklung von Polymerpartikeln während der Dispersionspolymerisation am Beispiel der Polymerisierung von Styrol mit einem funktionellen Makromer als Stabilisator dargestellt [14].

Entscheidend für die Herstellung monodisperser Polymerpartikel ist nach dieser Modellvorstellung die Formierungsphase. Dieses Stadium der Reaktion muss für ein hohes Maß an Monodispersität innerhalb eines kurzen Zeitintervalls abgeschlossen werden. Es wird beschrieben, dass die finale Partikelzahl innerhalb der ersten 20 Minuten oder nach 2% - 5% Umsatz definiert ist [11 , 13]. Bei der Polymerisation von Methylmethycrylat bestimmt K.E. J. Barrett den Zeitpunkt des Abschlusses der Partikelformierung bei einem Umsatz von unter 1% [22]. Die Reaktionsbedingungen sind dementsprechend so zu wählen, dass die zu einem späteren Zeitpunkt heranwachsenden Oligomere von den Nuklei absorbiert werden, bevor sie selbst in dem Prozess der agglomerierenden Nukleation stabilisiert werden können. Auch die Partikelgröße wird entscheidend während der Formierungsphase geprägt. Maßgebend für das Fortschreiten der Polymerisation, bevor es zur Fällung und somit zur Bildung der Nuklei kommt, ist die Löslichkeit des entstehenden Polymers im Reaktionsmedium. Das kritische Molekulargewicht, die Geschwindigkeit der Radikalbildung und des

Kettenwachstums, sowie das Verhältnis zwischen Koagulations- und Stabilisierungsrate während der Keimbildung sind wichtige Faktoren für die Größe der entstehenden Partikel [11-21].

Mit Hilfe der Saatpolymerisation ist es möglich, Polymerpartikel im

Mikrometerbereich durch spezielle Einquellverfahren um ein vielfaches der ursprünglichen Größe aufzuwachsen (siehe Abbildung 4). In Abbildung 4 ist beispielhaft eine Wachstumsabfolge in der Saatpolymerisation dargestellt

15].

Beim Einquellen werden der Saatpartikeldispersion saatpolymer-affine Komponenten (spezielle Monomere, Vernetzer, Initiator, Porenbildner) zugeführt, die im Umgebungsmedium schwer- oder unlöslich sind. Dies geschieht meistens durch fein dispergierte Emulsionen, sodass die Quellkomponente gleichmäßig von den Partikeln absorbiert werden kann. Anschließend können die eingequollenen, gelartigen Partikel auspolymerisiert werden, sodass stabile, poröse Polymerpartikel entstehen. Monodisperse Saatpartikel behalten ihre Größenverteilung beim Aufwachsen mit dieser Methode annähernd bei. In der Literatur ist inzwischen eine Auswahl an Saatpolymerisationstechniken beschrieben, u.a. „two step swelling method" [35], „successiv seeded method" [36], „seeded emulsion polymeriszation" [37] und „dynamic swelling method" [32].

Aufgabe

Ziel der der vorliegenden Arbeiten ist es somit, ein neues Verfahren zur Polymerisation von N-Vinylpyrrolidon zur Verfügung zu stellen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, ein einfach durchführbares Verfahren zur Verfügung zu stellen, wodurch entsprechende Polymerpartikel mit hoher Monodispersität, ausgeprägter Sphärizität und optimierter Größenverteilung der Partikel erhalten werden. Weiterhin ist es Ziel der vorliegenden Arbeiten, eine kostengünstig durchführbare, quantitative Methode zur Herstellung der gewünschten Partikel zur Verfügung zu stellen, die sowohl im halbtechnischen Maßstab durchführbar ist, als auch zu Polyvinylpyrrolidon- Saatpartikeln führt, welche in weiteren Reaktionen einsetzbar sind und gleichzeitig vorteilhafte Eigenschaften aufweisen, wodurch sie für die Verwendung in chromatographischen Trennmethoden besonders gut geeignet sind.

Darstellung der vorliegenden Erfindung

Aufgrund der durchgeführten Versuchsreihen wurde ein Verfahren zur Herstellung möglichst großer, sphärischer, monodisperser Polyvinylpyrrolidon (PVP) - Saatpartikel im Mikrometerbereich durch Dispersionspolymerisation gefunden. Die durch dieses Verfahren gewonnenen Partikel stellen die Ausgangsmaterialien dar für die Herstellung makroporöser Polymerpartikel, die wiederum in der präparativen und analytischen Chromatographie zur Proteinaufarbeitung einsetzbar sind. Sie können sowohl als Basismaterial als auch für weitere Reaktionen eingesetzt werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln mit hoher Monodispersität und ausgeprägter Sphärizität, dadurch gekennzeichnet, dass N-Vinylpyrrolidon in Gegenwart eines Lösungsmittels, ausgewählt aus der Gruppe Ethanol, Isopropanol, und Dioxan, oder einem Gemisch dieser Lösungsmittel und gegebenenfalls im Gemisch mit Wasser polymerisiert wird, und das entstehende

Polyvinylpyrrolidin in Form von Polymerpartikeln aus der Dispersion gefällt werden.

Dieses Polymerisationsverfahren kann in Gegenwart von Saatpartikeln durchgeführt werden. Zur Durchführung der Polymerisation kann ein

Vernetzer in einer Konzentration von 0,5 bis 2,5 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 2 Gew.-% eingesetzt werden. Als Lösungsmittel kann Ethanol und/oder Isopropanol in einer Menge von 0,5 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von 5 Gew.-% zu der Reaktionslösung hinzugefügt werden. Insbesondere kann aber auch Dioxan als Lösungsmittel eingesetzt werden, und zwar in einer Konzentration von 1 bis 11 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 3 Gew.-% und besonders bevorzugt in einer Konzentration von 5 bis 10 Gew.- %. Vorzugsweise wird das Lösungsmittel in der Reaktionslösung im Gemisch mit Wasser verwendet. Weiterhin kann die Polymerisation in Gegenwart eines Stabilisators erfolgen, welcher in einer Konzentration von 0,8 bis 18 Gew.-% eingesetzt werden kann. Bevorzugt wird der Stabilisator in einer Konzentration von 2,5 bis 10 Gew.-% und insbesondere bevorzugt in einer

Konzentration von 6 bis 10 Gew.-% eingesetzt. Ein solcher Stabilisator kann Polyvinylacetat sein. Zur Durchführung der Polymerisation können in dem Reaktionsgemisch Saatpartikel enthalten sein. Ein hinzugefügter Initiator kann in einer Menge von 0,2 bis 5 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 4 Gew.-%, besonders bevorzugt in einer Menge von 1 Gew.-% im Reaktionsgemisch enthalten sein. Durch die Polymerisationsversuche hat sich gezeigt, dass Azobisisobutyronitril [AIBN] für diesen Zweck besonders geeignet ist.

Besonders gute Polymerisationsergebnisse werden erzielt, wenn das Verfahren bei einer Temperatur im Bereich von 60 bis 90 0 C, bevorzugt in einem Bereich von 75 bis 90 0 C durchgeführt wird.

Durch Einquellen von Saatpartikel lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Partikel mit vorteilhaften Eigenschaften gewinnen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können nach Wunsch Polymerpartikel mit bestimmten Größenverteilungen und Eigenschaften erhalten werden, wodurch sich die Polymerpartikel besonders gut zur Verwendung für chromatographischen Trennmethoden eignen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung möglichst großer, sphärischer, monodisperser Polyvinylpyrrolidon (PVP) - Saatpartikel im Mikrometerbereich durch Dispersionspolymerisation. Die so gewonnenen Partikel stellen die Ausgangsmaterialien dar für die Herstellung makroporöser Polymerpartikel, welche wiederum in der präparativen und analytischen Chromatographie zur Proteinaufarbeitung einsetzbar sind. Sie können aber auch als Basismaterial für weitere Reaktionen eingesetzt werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit auch eine kostengünstig durchführbare, quantitative Methode zur Herstellung der gewünschten Partikel, die im halbtechnischen Maßstab durchführbar ist und zu Polyvinylpyrrolidon-Saatpartikeln führt, die in weiteren Reaktionen einsetzbar sind und vorteilhafte, insbesondere verbesserte Eigenschaften für die Verwendung in chromatographischen Trennmethoden aufweisen.

Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist auch die Herstellung von Polyvinylpyrrolidonpartikeln unter Einsatz von monodispersen Saatpartikeln, welche einen stark hydrophilen Charakter aufweisen. Die Problematik nichtspezifischer Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Trägermaterialien in der Chromatographie wird dadurch minimiert.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind insbesondere auch

Polymerpartikel mit hoher Monodispersität und ausgeprägter Sphärizität mit mittleren Partikeldurchmessern im Bereich von < 1μm bis 5 μm und einem Polydispersitätsindex von PDI < 1 ,1 , welche durch das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erhalten werden.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Mit Hilfe der neuen, erfindungsgemäßen Methode ist es möglich, durch Dispersionspolymerisation PVP-Partikel mit mittleren Partikeldurchmessern im Bereich von <1μm bis ~5μm herzustellen. Die zur Entwicklung der Methode durchgeführten Experimente haben zur Auffindung der Haupteinflussgrößen auf die Partikeleigenschaften geführt, so dass nach der vorliegenden, erfindungsgemäßen Verfahren gezielt Produkte mit gewünschten Partikelgrößen und Größenverteilungen hergestellt werden können. Vorteilhafterweise ist das gefundene Verfahren reproduzierbar durchführbar, zumal die Durchführung vorzugsweise im Syntheseautomat durchgeführt werden kann. In Folge sind reaktorspezifische Schwankungen in der Partikelgröße und der Größenverteilung sehr gering und auf Unterschiede in der Temperaturführung in den einzelnen Reaktoren zurückzuführen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikel weisen weitestgehend bimodale Größenverteilungen auf, wobei sie mit einem PDI < 1 ,1 [PDI = Polydispersitätsindex] ein hohes Maß an Monodispersität zeigen. {In der Literatur gelten Partikelgrößenverteilungen mit PDI-Werten < 1,05 als monodispers [11]}. Während der Reaktion wird NVP zu PVP umgesetzt, sodass sich mit der geringeren Löslichkeit des PVP die Stabilisierungsrate erhöht und somit kleinere Partikel erzeugt werden. Es wurden Versuche zur Erfassung der zeitlichen Entwicklung der Größenverteilung während der Reaktion durchgeführt. Diese Untersuchungen wurden mit unterschiedlicher

Initiatorkonzentration durchgeführt und zeigen, dass die Bimodalität in Abhängigkeit mit dem Umsatz des Monomers auftritt.

Es wurde gefunden, dass zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein besonderes Augenmerk auf die Wahl des Lösungsmittels gelegt werden muss, weil die PVP-Partikel in den verschiedenen Lösungsmitteln unterschiedliches Quellverhalten in Gegenwart von unterschiedlichen Quellmitteln zeigen. So konkurrieren verschiedene Lösungsmittel mit den Partikeln in der Aufnahme der Quellmittel.

Polyvinylpyrrolidon-Saatpartikel stellen für die Herstellung makroporöser Polymerpartikel als Chromatographiematerial zur Proteinaufarbeitung aufgrund ihrer Hydrophilie eine attraktive Alternative zu den bereits existierenden Saatpartikeln dar. Durch die vorliegenden Versuche ist nun ein Verfahren entwickelt worden, wodurch Partikel mit einem Durchmesser von > 4μm mit relativ engen Größenverteilungen herstellbar sind. Die durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass selbst der Einsatz verschiedener Reaktoren sich auf die Morphologie der erhaltenen Partikel auswirken, und durch eine gezielte Auswahl eines geeigneten Reaktors Partikel mit den gewünschten Eigenschaften erhalten werden.

Weiterhin wurde gefunden, dass bei der Verwendung von PVP-Saatpartikeln zur Herstellung von Chromatographiematerialien mit vorteilhaften bimodalen Größenverteilungen das Quellverhalten dieser Saatpartikel besonders zu berücksichtigen ist, wenn Vernetzerkonzentrationen > 2% eingesetzt werden. Dieses ist von besonderer Bedeutung in Scale-Up-Ansätzen im halbtechnischen oder technischen Maßstab.

Ausgehend von den oben beschriebenen, bekannten Methoden wurden, um ein optimales Verhältnis zwischen Anzahl der Einzelversuche und dem

Informationsgehalt der Ergebnisse zu gewährleisten, Versuchsreihen auf der Basis einer statistischen Versuchsplanung, auch Design of Experiments (DoE) genannt, durchgeführt.

Es wurde zu diesem Zweck ein aufgestellter Versuchsplan abgearbeitet. Wegen der geringen Anzahl an Versuchen, stellt jedes Einzelexperiment in der statistischen Versuchsplanung einen wichtigen Punkt in einem mathematischen Modell dar. So können zufällige oder systematische Einflüsse bei der Auswertung berücksichtigt werden. Nach dem Abarbeiten des Versuchsplans werden die Versuchsergebnisse analysiert und interpretiert. Dementsprechend sind nach der Auswertung eines solchen

DoEs qualitative oder quantitative Aussagen über die Parametereinflüsse für das untersuchte System möglich.

In Abbildung 5 sind zur Verdeutlichung die Phasen in der Anwendung eines DoEs (Design of Experiments) dargestellt [29].

Die Auflistung der durchzuführenden Einzelexperimente und die mathematischen Berechnungen werden bei der DoE mit Hilfe spezieller Software durchgeführt. Somit liegt der Schwerpunkt darin im Vorfeld mögliche Einfluss- bzw. Störgrößen, die zu variierenden Prozessparameter und die Zielgrößen zu definieren.

Vereinfacht lässt sich dieses modellhaft, wie in Abbildung 6 gezeigt, als „Input - Output - Modell" eines Prozesses oder Systems [29] darstellen.

Die Zahl der notwendigen Einzelexperimente ist außer von der Zahl der Faktoren im Wesentlichen davon abhängig, ob für das angepasste, mathematische Modell lineare, quadratische oder Wechselwirkungsterme berücksichtigt werden sollen. Mit der Aufnahme jedes Terms sind weitere Versuche notwendig. Für die Gestaltung des Versuchsplans muss festgelegt werden, welche Terme für die ausreichende Beschreibung des Systems enthalten sein müssen. Daher ist es notwendig, theoretische Vorkenntnisse aus der entsprechenden Literatur und Erfahrungswerte in den Versuchsplan einfließen zu lassen, um die Anzahl der Einzelexperimente zu minimieren.

Eine zufällige Reihenfolge der Versuche kompensiert mögliche Störungen, die sich aus zeitlich verändernden Einflüssen ergeben (siehe Abbildung 7) [29]. In Abbildung 7 ist der Einfluss zeitbedingter Störungen am Beispiel eines Gerätedriftens dargestellt und der Vorteil eines randomisierten Versuchsplans gezeigt.

Screening-Versuchspläne sind besonders geeignet, wenn erst wenig über eine Problemstellung bekannt ist. Zu Beginn der Entwicklung eines Produktes oder Prozesses sollen zunächst möglichst viele Faktoren auf ihre Signifikanz und die Richtung ihres Einflusses auf die Zielgrößen untersucht werden. Bei der Optimierung von Prozessen oder Produkten werden dann nur noch wenige Einflussgrößen gegeneinander variiert.

In dem aufgestellten Versuchsplan stellt jedes Einzelexperiment einen Punkt in einem mehrdimensionalen Raum dar. In Abbildung 8 wird dieser Versuchsraum für zwei (links) und für drei (rechts) Faktoren dargestellt [29]. Zur Untersuchung linearer Effekte nehmen die Faktoren nur Werte auf den Eckpunkten des Quadrats bzw. des Würfels an. Um auch quadratische Zusammenhänge wiedergeben zu können, werden zusätzliche Punkte im Zentrum und auf den Seiten bzw. Flächen ergänzt. In Abbildung 8 werden diese Punkte außerhalb des Versuchsraums gesetzt, was auch möglich ist. Sie würden jedoch den definierten Wertebereich verlassen.

Jedem Punkt in diesem Raum kann nach Abarbeiten der Versuche ein Wert für die Zielgröße zugeordnet werden. Die räumliche Anordnung ermöglicht nun je nach Wahl des Modells eine Vorhersage der Zielgröße innerhalb des untersuchten Versuchsraums. Hierfür werden die in Tabelle 1 aufgeführten Terme verwendet.

Tabelle 1 : lineare, quadratische und Wechselwirkungsterme für zwei und drei Faktoren [29]

Die Koeffizienten (bθ, bA, ...) der verwendeten Terme aus Tabelle 1 werden durch Regressionsanalyse mit Hilfe der experimentell ermittelten Werte für die Zielgrößen bestimmt.

Nach der Regression wird das angepasste Modell auf seine Genauigkeit und Eignung geprüft. Ob es sich um ein geeignetes Modell handelt, wird durch die grafische Beurteilung der Residuen festgestellt. Die Residuen

(Abweichung y s — y der Messwerte von den durch das angepasste Modell vorhergesagten Werten) werden durch Auftragen in einem Wahrscheinlichkeitsnetz auf Normalverteilung geprüft. So können außerdem Ausreißerversuche ausgemacht werden.

Für die Beurteilung der Modellgenauigkeit werden die gemessenen Werte gegen die vorhergesagten Werte aufgetragen. Bei idealer Modellgenauigkeit würden die Punkte auf der Winkelhalbierenden liegen. Das Modell wird quantitativ durch den Korrelationskoeffizienten beschrieben, der angibt wie weit die Messpunkte von der Winkelhalbierenden entfernt sind [30].

Für die Durchführung der Versuche des Versuchsplans werden folgende Chemikalien verwendet:

1-Vinyl-2-Pyrrolidon (stabilisiert mit N,N'-Di-sek-butyl-1 ,4-phenylendiamin),

Hersteller: Merck Schuchardt OHG, Artikelnummer: 8.08518 n-Propylpropionat,

Hersteller: Dow Chemical Company Ethylacetat, Hersteller: Merck KGaA .Artikelnummer: 1.09623

Methylethylketon,

Hersteller: Merck KGaA, Artikelnummer: 1.06014 Ethanol,

Hersteller: Merck KGaA, Artikelnummer: 1.11727 1 ,4-Dioxan, Hersteller:

Merck KGaA, Artikelnummer: 1.03115 α.α'-Azoisobutyronitril,

Hersteller: Merck-Schuchardt, Artikelnummer: 8.01595 Polyvinylmethylether, solv. 50% in Wasser, MW -50,000, Hersteller:

Polysciences, Inc., Artikelnummer: 07903032-500 (Lieferfirma: tebu- bio)

Polyacrylsäure (Produktname: CarbopolD934),

Hersteller: SERVA Electrophoresis, Artikelnummer: 15885.01 Polyvinylalkohol 40-88,

Hersteller: Merck KGaA, Artikelnummer: 1.41353 Polyvinylacetat, MW -50,000,

Hersteller: Alfa Aesar, Artikelnummer: A12732 Polyvinylacetat, MW -140,000,

Hersteller: Sigma-Aldrich, Artikelnummer: 387924 Polyvinylacetat, MW -500,000, Hersteller: Sigma-Aldrich, Artikelnummer: 387932

DW (N,N-Divinylethylenharnstoff, BASF, Ludwigshafen)

Die Durchführung selbst erfolgt mit folgenden Geräten:

Multiplant M100, Syntheseautomat

Hersteller: Chemspeed Technologies AG

Software: Application Editor/Application Executor Version 1.9.2.24

Leica DM 2500M, Lichtmikroskop Kamera: Leica DFC 280

Software: Leica Application Suite Version 3.3.1 (inkl. Lizenz für LAS

Intreractive

Measurement Modul)

MODDE 8, Software für statistische Versuchsplanung Hersteller: Umetrics

Eppendorf Centrifuge 5804 max. Beladung: 8 x 4OmL; max. Drehzahl: 5000rpm

Weitere Einzelheiten der Durchführung des Versuchsplans:

Da recht viele Einzelversuche durchgeführt werden mussten, wurde der eigentliche Versuchsplan unter Einsatz möglichst geringer Stoffmengen abgearbeitet, um Kosten und Materialien zu sparen. Diese Versuche wurden anschließend in einem Scale-Up auf größere Anlagen übertragen, und mußten daher unter definierten und großtechnisch anwendbaren Bedingungen ablaufen.

Für die Durchführung der Versuche wurde die von der Firma Chemspeed Technologies entwickelte Multiplant M100 verwendet. In dieser Anlage können gleichzeitig bis zu sechs diskontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren mit einem Fassungsvermögen von maximal 70ml unter definierten Reaktionsbedingungen gesteuert werden.

In Abbildung 9 sind in einem vereinfachten Fließbild die Funktionsweise und die Geräte der Multiplant M 100 dargestellt .

Für die Dispersionspolymerisationsversuche wurden die folgenden Funktionen und Elemente zur Prozessführung verwendet:

Mit Hilfe des „Application Editor"s als Software kann die Prozessführung jedes einzelnen Reaktors programmiert werden. Die Stellung der Vakuum- und Stickstoffventile, die Reaktortemperatur, die Temperaturrate in Heizoder Kühlphasen, die Rührerdrehzahl und die Betriebsdauer für jeden Zustand können mit diesem Programm festgelegt werden.

Mit dem „Application Executer" wiederum werden die programmierten Anwendungen durchgeführt. Die Ist- und Sollwerte der Prozessparameter können tabellarisch oder als Echtzeitkurve visualisiert und vom Benutzer während des Betriebs korrigiert werden. Der Zeitverlauf der Parameter wird in einem Log-File aufgezeichnet.

Der Reaktorinnenraum ist mit einem Pt100-Thermoelement ausgestattet, dessen Signal über eine Steckverbindung an die Regeleinrichtung übertragen wird. Das dynamische Verhalten der Regelstrecke kann in der Softwarekonfiguration durch Änderung der PID-Parameter für das System optimiert werden.

Die Edelstahlreaktoren sind von einem Edelstahlmantel umgeben, dessen Temperatur ebenfalls von einem Pt100-Thermoelement erfasst und durch die Steuerung eines Kühlwasserkreislaufes und Heizstäben geregelt wird. In Abbildung 10 ist das Funktionsprinzip der Manteltemperierung in der Draufsicht dargestellt.

Zur Temperierung durchströmt das Kühlwasser den Mantelraum und den

Reaktorkopf. Das Wasser wird über einen Wärmetauscher gekühlt, wobei der Wärmeaustausch mit einem silikonbasiertem Öl (HTF 190 oil) erfolgt. Dieses Öl wird von einem Kryostat (Huber- Unistat) mit Hilfe einer Umwälzpumpe konstant auf der gewünschten Temperatur gehalten.

Der durch die Vakuumpumpe (Vacuubrand cvc 200 II) erzeugte Unterdruck wird durch Änderung der Stellung des Hauptventils und der 3-Wege-Ventile an jedem einzelnen Reaktor angelegt. Das gleiche gilt für die Stickstoffzufuhr, wobei der Druck mit Hilfe eines Schwebekörperdurchflussmessers eingestellt wird.

Zur Durchmischung weist der jeweils verwendete Reaktor ein magnetisches Rührwerk auf. Die Rührerwelle des Rühwerks tritt dabei nicht direkt, sondern magnetisch mit dem Antrieb in Kontakt. Der Magnet wird über ein Zahnradsystem bewegt, sodass Rührergeschwindigkeit und Energieaufwand gemessen und geregelt werden können.

Zur Versuchsdurchführung wird eine Stabilisator-Stammlösung hergestellt, indem das Polymer und das Lösungsmittel in einen Erlenmeyerkolben eingewogen und bei Raumtemperatur mit einem Magnetrührer homogenisiert werden.

Für jeden Reaktor werden die einzelnen Komponenten des Reaktionsgemischs direkt in einen 25ml-Erlenmeyerkolben eingewogen.

Zuerst werden der Initiator und der Quervemetzer in NVP gelöst. Anschließend werden die Stabilisatorlösung und das restliche Lösungsmittel zudosiert. Das Reaktionsgemisch wird durch Schütteln homogenisiert bis keine Schlieren mehr zu sehen sind, bevor es in die gereinigten, trockenen Reaktoren überführt wird. Die Reaktoren werden in den Miniplants platziert und mit jeweils mit dem Kühlwasserkreislauf, Temperaturfühler und Rührwerk verbunden.

Im „Application Editor" wird eine Anwendung programmiert mit der die Prozessführung für die einzelnen Reaktoren festgelegt wird. Bevor die

Applikation gestartet wird, werden die Vakuumpumpe und das Kryostat eingeschaltet, sowie die Stickstoffzufuhr auf ca. 1bar geregelt. Jede Versuchsdurchführung startet mit einem Inertisierungsvorgang, bei dem abwechselnd Stickstoff und Vakuum an die Reaktoren angelegt wird.

Vor der Optimierung des Prozesses der Dispersionspolymerisation von NVP, wurden in Vorversuchen verschiedene Komponenten auf ihre Eignung geprüft. Während die Wahl des Initiators und des Vernetzers auf üblicherweise eingesetzte Substanzen fällt, werden in diesen Vorversuchen qualitative Aussagen über die Funktionalität der untersuchten Lösungsmittel und Stabilisatoren getroffen. Außerdem werden für die Durchführung dieses Screenings Grenzen für die Konzentration der Komponenten getestet, um die technische Durchführbarkeit der Versuche zu gewährleisten.

Azoverbindungen, insbesondere Azo-bis-isobutyronitril (AIBN), werden in der Literatur als bevorzugte Initiatoren für die Herstellung monodisperser Polymerpartikel durch Dispersionspolymerisation beschrieben. Als geeignete Polymerisationstemperatur wird in der Literatur der Bereich zwischen 50 0 C und 80 0 C bei Verwendung von AIBN empfohlen. In der Literatur beschriebenen Systemen wird AIBN in einer Menge im Bereich von 0,5% - 4,0% bezogen auf die Konzentration des NVP eingesetzt [11-22].

Das Herabsetzen der Löslichkeit des entstehenden Polymers im Reaktionsmedium oder in Lösungsmitteln für weitere Prozessstufen wird durch die Vernetzung der linearen Polymerketten erreicht. Hierzu wird hier eine Divinyl-Verbindung verwendet. Der Vernetzer wird statistische in die Polyvinylpyrrolidonketten integriert und verzweigt das Molekül durch einen weiteren Kettenstart an der zweiten reaktiven Vinyl-Gruppe. Die Menge an Divinyl-Vernetzer wird in Massenanteilen bezogen auf die Konzentration des NVP angegeben. Bei der Dosierung ist zu berücksichtigen, dass stark vernetzte Saatpartikel neben der Unlöslichkeit auch schlechte Quelleigenschaften aufweisen. Bei der Dispersionspolymerisation spielt die Wahl des Lösungsmittels eine wichtige Rolle. Das geeignete Lösungsmittel wird durch die fällende Wirkung auf das entstehende Polymer charakterisiert, wobei das Monomer, der Initiator und der Stabilisator gut löslich sein müssen.

Als Lösungsmittel oder als Fällungsmittel für PVP in Frage kommende Lösungsmittel sind in Tabelle 2 enthalten:

Tabelle 2: Lösungs- und Fällungsmittel für Polyvinylpyrrolidon aus der Produktbeschreibung der Luvitec® K-Marken von der BASF [31]

Während der Polymerisation darf die Siedetemperatur des Lösungsmittels nicht überschritten werden. In der Literatur ist beschrieben, dass der ideale Temperaturbereich bei dem verwendeten Initiators in einem Bereich zwischen 50 0 C bis 80 0 C liegt. Bei der Wahl des Lösungsmittels ist darauf zu achten, dass die Variationsmöglichkeit der Reaktionstemperatur in dem genannten Bereich durch dessen Siedetemperatur nicht zu sehr einschränkt wird. Aufgrund der Toxizität, Zugänglichkeit und der allgemeinen Handhabung, ist die Verwendung der in Tabelle 3 aufgeführten Lösungsmittel besonders bevorzugt.

Tabelle 3: Löslichkeiten der besonders geeigneten Lösungsmittel

Durch die Versuche wurde gefunden, dass in dem vorliegenden System mit dem gewählten Initiator auch vorteilhafte Polymerisationsergebnisse bei Temperaturen höher als 80° C, insbesondere bis 85°C und höher erhalten werden.

Mit den Lösungsmitteln aus Tabelle 3 wurden Versuche zur Dispersionspolymerisation von NVP durchgeführt mit 2 - 15% Monomer, 0,5 - 2,0% AIBN und 0 - 2,5% Divinyl-Vernetzer.

Durch die Versuche wurde gefunden dass in Gegenwart von 1 ,4-Dioxan, und Methylethylketon ohne Vernetzer eine reine Lösungspolymerisation stattfindet. Bei 1%iger oder höherer Vernetzung fällt das Polymer als klares, homogenes Gel aus.

In Gegenwart von Ethylacetat und Propylpropionat fällt das Polymer als weißer Feststoff aus. Unter dem Lichtmikroskop sind Agglomerate bestehend aus partikulär ausgefallenem PVP zu erkennen. Um Partikel zu formen und Agglomerationen vorzubeugen, können verschiedene Stabilisatoren zugefügt werden. Aus der Literatur sind in diesem Zusammenhang u.a. Systeme mit Polyacrylsäure (PAA), Polyvinylmethylether (PVME) und Polyvinylacetat (PVAc) als Stabilisatoren bekannt [7, 13, 20, 24, 25, 32, 34]. In den durchgeführten Versuchen wurden zunächst die sterischen Stabilisatoren auf ihre Löslichkeit in den verwendeten Lösungsmitteln untersucht. PVME ist nur als 50%ige wässrige Lösung zugänglich und wird zunächst bei 50 0 C innerhalb von 48h getrocknet.

Tabelle 4: Löslichkeiten der sterischen Stabilisatoren

Aufgrund der Löslichkeit der betrachteten Stabilisatoren und der Ergebnisse der ersten Polymerisationsversuche wurden auch Versuche mit Ethylacetat und Propylpropionat als Lösungsmittel und PVME und PVAc als sterische Stabilisatoren durchgeführt. Als qualitative Kriterien für die Eignung der Systeme gelten die Sphärizität, die Größe und die Isoliertheit der entstehenden Partikel.

PVME und PVAc mit 140k g/mol und 500k g/mol als mittleres Molekulargewicht (MW) zeigen gegenüber PVAc mit MW 50k g/mol eine deutlich höhere stabilisierende Wirkung. Der Vorteil liegt dabei darin, dass für diese Stabilisatoren eine geringe Konzentration (<1% auf den Gesamtansatz bezogen) ausreicht, um Agglomerationen und Anbackungen bei relativ hohen Monomerkonzentrationen (bis 20%) zu vermeiden. Die erzeugten Partikel sind bei variierten Zusammensetzungen des Reaktionsgemischs jedoch entweder unrund oder < 1μm im mittleren Partikeldurchmesser (d 5 o).

In Versuchen mit PVAc, MW 50k g/mol in Propylpropionat als Lösungsmittel- Stabilisator-System wurden sphärische Partikel einer Größe bis zu 5μm gefunden, deren Größenverteilung sich signifikant durch Veränderungen in der Zusammensetzung des Reaktionsgemischs beeinflussen lässt. Die stabilisierende Wirkung ist vergleichsweise gering, sodass mit Monomerkonzentrationen von über 6% nur hohe Stabilisatorkonzentrationen (>12%) die Herstellung isolierter Partikel ermöglichen. In Ethylacetat lassen sich keine runden Partikel erzeugen (siehe Abbildung 11). Abbildung 11 zeigt Mikroskopaufnahmen von PVP-Partikeln. Diese Aufnahmen sind charakteristisch für die Systeme mit PVME, PVAc MW 140k, PVAc MW 500k, PVAc MW 50k als Stabilisator in Propylpropionat (B - E) und in Ethylacetat (A).

In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Versuche zusammengefasst durch die für die Dispersionspolymerisation geeignete Lösungsmittel und Stabilisatoren ermittelt werden konnten.

Tabelle 5: Wirkung verschiedener Lösungsmittel und Stabilisatoren auf die Partikelbildung und deren Ausfällung.

Aufgrund der Ergebnisse der durchgeführten Versuche haben sich die in Tabelle 6 wiedergegebenen Komponenten für die Dispersionspolymerisation von N-Vinylpyrrolidon als geeignet erwiesen:

Tabelle 6: Komponenten des untersuchten Systems

Um die möglichst optimalen Bedingungen zur Herstellung monodisperser, sphärischer PVP-Partikel mit möglichst großer mittlerer Partikelgröße zu bestimmen, wurden mit Hilfe eines DoE die Einflüsse der Versuchsparameter untersucht.

Durch Vorversuche wurden Grenzen für die erforderlichen Konzentrationen von AlBN, PVAc und NVP festgelegt.

Es wurde gefunden, dass in dem untersuchten System bei geringer Zunahme der Konzentration von NVP der Minimalwert für PVAc- Konzentration im Verhältnis stark erhöht werden muss, um Anbackungen, Verschmelzungen und Agglomerationen vorzubeugen. Deshalb wurde für den ersten Versuchsplan jedem NVP-Niveau ein separater Wertebereich für die Konzentration von PVAc zugeordnet, um eine möglichst große Parametervarianz untersuchen zu können.

Aus diesen Versuchen haben sich die in Tabelle 7 aufgeführten Grenzen für die einzelnen Parameter ergeben.

Tabelle 7: Parameterbereiche für den ersten Versuchsplan

Allgemein ist über den Einfluss des Vernetzergehalts bekannt, dass Partikel mit zunehmendem Vernetzungsgrad über ein geringeres Quellungspotenzial verfügen und somit kleiner ausfallen. Außerdem verläuft die Polymerisation mit Divinyl-Monomeren meistens unkontrollierter, was bei hohen Konzentrationen (> 0,5%) zu breiteren Größenverteilungen und unrunden Partikeln, sowie zu Agglomerationen führen kann [16, 21]. Durch eigene Versuche wurde gefunden, dass ein Gehalt von etwa 1 ,5% DW für ausreichende Stabilität der PVP-Partikel in wässriger Phase sorgen und Agglomerationen in den gewählten Zusammensetzungen ausbleiben.

Weil sich durch die Versuche gezeigt hat, dass sich bei Temperaturraten im Bereich 0,3 °C/min bis 3 °C/min keine signifikanten Unterschiede in den Versuchsergebnissen ergeben, wurde für alle weiteren Versuche die Temperaturrate auf 1 °C/min festgelegt, u. a. auch weil dieser Wert gut auf großtechnische Anlagen übertragbar ist.

Darüber hinaus wurde gefunden, dass Änderungen der Rührerdrehzahl zwischen 100rpm und 600rpm mit einem Blattrührer (d hrer= 1,5 cm, d rea ktor = 4,2 cm ) bei ansonsten konstanten Versuchsparametern keine signifikanten Unterschiede in den Ergebnissen ergeben.

Weiterhin haben die Versuche gezeigt, dass nach 16h Versuchsdauer keine Änderungen in der Darstellung der Partikel mehr wahrgenommen werden können.

Für die Auswertung des DoE müssen die Zielgrößen für jeden Versuch einen Wert annehmen, über dessen signifikante Änderung die Einflüsse der einzelnen Parameter ermittelt werden.

Die PVP-Partikel werden durch ihre Sphärizität, mittlere Partikelgröße und Monodispersität mit Hilfe von Lichtmikroskopaufnahmen charakterisiert. Da unter den eingestellten Bedingungen überwiegend runde Partikel erhalten werden, wird die Sphärizität in der Auswertung zunächst vernachlässigt und nur durch subjektiv ermittelte Noten von 1 - 3 beschrieben.

Die mittlere Partikelgröße (dso) und die Monodispersität (d 90 /di 0 ) werden über die Volumen-%-Verteilung ermittelt. Für die Messung wird der Ansatz zunächst homogenisiert, um eine repräsentative Probe mit der Pipette nehmen zu können. Nachdem sichergestellt worden ist, dass die Probe auf dem Objektträger gleichmäßig verteilt ist, wird ein zufälliger Bildausschnitt für die Aufnahme gewählt. Mit Hilfe der Vermessungssoftware werden die Partikel auf dem Bildausschnitt (ca. 300 - 500 Stück) vermessen.

Ausgehend von den Durchmessern der Partikel wird deren Volumen berechnet

Um eine möglichst normalverteilte Kurve zu erhalten, wird die x-Achse des Verteilungsdiagramms logarithmisch skaliert. In Microsoft Excel werden Kategorien mit gleich großen Ig-Werte-Intervallen erstellt und jeder Kategorie wird die Anzahl der Partikel zugeordnet, deren Volumen einen entsprechenden Ig-Wert liefert. So gelangt man über zu dem vermessenen Gesamtvolumen und über die Volumina der einzelnen Kategorien auf die Volurnen-%-Verteilung:

Mit Hilfe der Trapezformel wird die Fläche unter der Verteilungskurve näherungsweise bestimmt, wodurch das jeweilige Intervall für den Partikeldurchmesser ermittelt werden kann, mit dem 10%, 50% und 90% des Gesamtvolumens überschritten werden. Der endgültige Wert für d 10 , dso, dgo wird durch lineare Interpolation innerhalb des entsprechenden Intervalls berechnet.

Abbildung 18 zeigt ein Beispiel für ein Volumen-%-Verteilungs-Diagramm mit den berechneten Werten für di 0 , d 50 , d 90 und Monodispersität, wobei di 0 =2,31 μm, d 50 = 3,73μm, dgo=4,O9 μm und d 9o /dio=1 ,77 betragen.

Für die Auswertung der durchgeführten Versuche ist es wichtig, dass die

Varianz der Zielgrößen durch Änderung der Parametereinstellungen signifikant größer ist als die durch die Messmethode bedingte Streuung. Mit Wiederholungsmessungen wurde das Messverfahren mit folgenden Maßnahmen auf Störfaktoren geprüft:

— wiederholte Probenahme

— Messung mehrerer Bildausschnitte einer Probe

— Mehrfachmessung eines Bildausschnitts

Es wurden Wiederholungsmessungen an zwei verschiedenen Ansätzen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die verwendete Methode geeignet ist, um signifikante Änderungen der Zielgrößen wiederzugeben.

Tabelle 8: Ergebnisse aus Wiederholungsmessungen

Das System der Dispersionspolymerisation von N-Vinylpyrrolidon in Propylpropionat mit Azo-bis-isobutyronitril als Initiator, einer Divinyl- Verbindung als vernetzende Komponente und Polyvinylacetat (MW ~50,000) als sterischen Stabilisator wurde mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung auf seine Haupteinflussgrößen und deren Effekte untersucht. Neben den oben definierten Einflussgrößen und Bereichen wurden zusätzlich die sechs Reaktoren auf individuelle Auswirkungen auf die Zielgrößen geprüft. Um den Aufwand hinsichtlich der Zahl der Versuche in einem vertretbaren Rahmen zu halten, wurde ein Versuchsplan für Mischungsexperimente durchgeführt. Hierbei wurden die Einzelversuche aus den möglichen Kombinationen iterativ so ausgewählt, dass sie optimal für die Anpassung des vorgesehenen Regressionsmodells geeignet sind. Der gewählte Modelltyp enthielt lineare, quadratische und Wechselwirkungsterme für die Faktoren Reaktionstemperatur, und die Konzentrationen an NVP, AIBN und PVAc . Die Reaktoren wurden als Block-Parameter auf lineare Einflüsse geprüft. Mit N = 42 Einzelversuchen erlangte der erstellte Versuchsplan ein Effizienzmaß von 75% (G-Effizienz), wobei durch eingestreute Wiederholungsversuche die Reproduzierbarkeit geprüft wurde. Tabelle 9 enthält den mit MODDE 8 erstellten Versuchsplan mit den Messergebnissen für die Einzelexperimente. Zur Ermittlung der mittleren Partikelgröße wurde zunächst die Verteilung der Messwerte für den d 50 geprüft. Diese sollten annähernd normalverteilt sein, da ansonsten Probleme bei der statistischen Auswertung und der Modellbildung auftreten.

In Abbildung 19 ist die Verteilung der Originalmesswerte für d 50 wiedergegeben.

In vielen Fällen können die Werte durch eine Transformation auf eine annähernde Normalverteilung korrigiert werden. In diesem Fall wird die

Zielgröße mit y = y° 25 transformiert. In Abbildung 20 ist die Verteilung der transformierten Messwerte für d 5 o dargestellt.

Für die Bildung des empirischen Modells wurden folgende Terme verwendet:

Um die Modellgenauigkeit zu ermittein, werden Messwerte gegen die vom Modell vorhergesagten Werte aufgetragen.

Als Modellgenauigkeit wird ein Wert von 89% ermittelt. Als weiterer Test für die Eignung des Modells werden die Residuen auf Normalverteilung überprüft. Hierbei werden die Modellfehler in einem Wahrscheinlichkeitsnetz aufgetragen, wobei diese bei Normalverteilung auf einer Geraden liegen. Die ermittelte Residuenverteilung ist zufriedenstellend.

Anschließend werden die einzelnen Modellterme auf ihre statistische Signifikanz geprüft. Bei der Betrachtung der Signifikanz der einzelnen Modell-Koeffizienten ergibt sich, dass viele betragsmäßig sehr klein sind und/oder große Vertrauensintervalle (große Unsicherheiten) aufweisen. Nach schrittweiser Reduzierung, indem nicht-signifikante Modellterme gestrichen werden, wird eine Modellgenauigkeit von 73% gefunden, was noch ausreichend genau ist, um grundsätzliche Trends vorherzusagen.

Abbildung 25 zeigt die graphische Darstellung der ermittelten Modell-

Koeffizienten mit entsprechenden Vertrauensbereichen (reduziertes Modell).

Jedoch nur die Einflussparameter der Konzentrationen von AIBN und PVAc erweisen sich als statistisch signifikant. Sie beschreiben 73% der Variation des dso-

Mit der Modellvorhersage wird der Verlauf für den dso-Wert bei der Variation der Eingangsparameter im untersuchten Bereich prognostiziert. In Abbildung 26 sind die eindimensionale (links) und zweidimensionale (rechts) Modellvorhersage für die Änderung des d 5 o-Werts in graphischen Darstellungen gegenübergestellt.

Zur Beurteilung der Monodispersität erfolgt die Auswertung für die Zielgröße dgo/d- t o analog der des d 50 -VVert.es. In Abbildung 27 ist in Form von Balkendiagrammen die Verteilung der Originalmesswerte für dgo/d-io dargestellt.

Auch hier wurde eine Transformation mit y * =y° 25 vorgenommen, so dass sich daraus die in Abbildung 28 wiedergegebene Verteilung der transformierten Messwerte für d 9O /dio ergibt. Anschließend wurde anhand der ermittelten Messwerte die Modellgenauigkeit und die Residuenverteilung für dgo/d-io (vollständiges Modell) ermittelt.

Jedoch wurde in diesem Fall eine unzureichende Modellgenauigkeit ermittelt und aufgrund der schlechten Modellierungsergebnisse für die

Monodispersität wurden die durchgeführten Versuchsreihen auf mögliche Störgrößen geprüft, welche sich auf die Größenverteilung auswirken.

Die Grenzen der Parameterwerte wurden in dem Versuchsplan so festgelegt, dass ein möglichst großer Wertebereich auf seinen Einfluss auf das System untersucht werden konnte. Deshalb kam es innerhalb des Versuchsplans zu Parameterkombinationen, die keinen optimalen Versuchsablauf gewährleisten. Dies hat sich in Form von Anbackungen an Reaktorwand und Rührer gezeigt. Hierbei ist unklar geblieben, ob es sich um die Anhäufung von Partikeln einer bevorzugten Größenklasse handelte (eine Art Klassierung), sodass der wahre Wert für die Größenverteilung in der Messung nicht wiedergegeben wurde. Um diese Unklarheit zu beseitigen, wurden aus den Versuchsreihen insgesamt 12 Einzelversuche gestrichen, bei deren Durchführung verstärkte Anbackungen auftraten. Mit den restlichen Ergebnissen wurde eine weitere Auswertung für die Monodispersität mit einem vereinfachten Modell durchgeführt.

Nach dieser Reduzierung kann die Modellgenauigkeit nun mit -60% als ausreichend angesehen werden, um grundlegende Trends korrekt wiederzugeben.

Durch die Auswertung des vereinfachten Modells für die Änderung der

Monodispersität zeigte sich, dass die Größenverteilung der Partikel von den verwendeten Reaktoren signifikant beeinflusst wird. Weiterhin gibt es einen ausgeprägten quadratischen Einfluss der Temperatur, sowie einen linearen Einfluss der Konzentration des AIBN (siehe Abbildung 18). Die besten Werte für die Monodispersität wurden bei 2,0% AIBN und 78 0 C ermittelt.

Ausgehend von den Ergebnissen des ersten Versuchsplans wurden neue Bereiche für einen zweiten Versuchsplan festgelegt und ergänzende Versuche durchgeführt. Zum Einen, um die Reaktoren genauer auf ihren Einfluss auf die Zielgrößen zu testen, und zum Anderen wurde der vorhergesagte Trend des Einflusses der Reaktionstemperatur über den im ersten Versuchsplan festgelegten Bereich hinaus untersucht.

Zur Untersuchung des Einflusses der Reaktionstemperatur auf die Monodispersität wurden weitere Versuchsreihen A und B mit verschiedenen Zusammensetzungen ober- und unterhalb des im ersten Versuchsplan verwendeten Bereichs der Reaktionstemperatur durchgeführt. Der Temperaturbereich über 80 0 C erweist sich überraschenderweise als vorteilhaft für die Werte beider Zielgrößen. Im zweiten Versuchsplan wird der zu untersuchende Bereich für die Reaktionstemperatur auf 75°C - 85° korrigiert. Wegen der Gebundenheit der Konzentration von PVAc an die Konzentration von NVP wird für diese Einflussgrößen ein relativ enger Bereich ausgewählt, von dem, ausgehend von den Ergebnissen des ersten Versuchsplans, die besten Werte für die beiden Zielgrößen zu erwarten sind.

Da sich durch die vorherigen Versuchen ein nachteiliger Effekt durch Änderung der Konzentration von AIBN gezeigt hatte, wurde in den folgenden Versuchen die Konzentration von AIBN innerhalb des bisher untersuchten Bereichs lediglich auf Konzentrationen im Bereich von 0,9% - 1 ,4% eingeengt.

Tabelle 10: Parameterbereiche für den zweiten Versuchsplan

In Tabelle 10 sind die für den zweiten Versuchsplan festgelegten Wertebereiche der Einflussgrößen zusammengestellt. Tabelle 11 beinhaltet die Einzelversuche und deren Ergebnisse. Der Modelltyp ist wie beim ersten Versuchsplan D-optimal, unter Berücksichtigung der Terme für die Beschreibung lineare Effekte, Wechselwirkungen und quadratischer Effekte.

Die Auswertung des zweiten Versuchsplans verläuft analog der des Ersten.

In Abbildung 38 ist in Form von Balkendiagrammen die Verteilung der Originalmesswerte der mittleren Partikelgröße dargestellt. Für die statistische Auswertung werden die Messwerte wiederum transformiert mit y * = y 025 . Die Verteilung dieser transformierten Messwerte ist in Abbildung 39 ebenfalls in Form von Balkendiagrammen dargestellt. Zur Auswertung der Modellgenauigkeit wurden auch hier die ermittelten und die erwarteten d 50 - Werte gegeneinander aufgetragen und die Residuen ermittelt.

In Abbildung 42 sind in Form von Balkendiagrammen die Modell- Koeffizienten aufgetragen mit entsprechenden Vertrauensbereichen für die d 50 -Werte unter Einfluss der variierten Größen Temperatur, und Konzentration von NVPy und PVAc.

Für die im zweiten Versuchsplan gewählten Reaktionsbedingungen lässt sich ein sehr robustes Modell erstellen, um die Effekte der Einflussgrößen zu beschreiben (siehe Abbildung 42). Der Haupteinfluss auf die mittlere Partikelgröße in dem untersuchten Bereich geht von der Reaktionstemperatur aus. Ebenso ist ein signifikanter Einfluss auf den d 5 o- Wert bei der Änderung der Konzentrationen von NVP und PVAc zu erwarten.

In Abbildung 22 ist eine eindimensionale Modellvorhersage für die Änderung des dso-Wertes in Abhängigkeit von der Temperatur und der Konzentrationen von NVPy und PVAc dargestellt.

Abbildung 23 zeigt zweidimensionale Modellvorhersagen für die Änderung des d 50 -Werts bei mittlerem Niveau für AIBN und bei verschiedenen Konzentrationen an PVAc, und zwar bei 6%, 7%, 8% (von links nach rechts).

In Abbildung 22 und 23 sind die Modellvorhersagen für die Änderung der im untersuchten Bereich als signifikant geltenden Einflussgrößen aufgeführt. Optimale Ergebnisse für den d 5 o-Wert sind im Bereich der Reaktionstemperatur zwischen 81°C und 85°C bei niedrigem Konzentrationsniveau für PVAc und NVP zu erwarten.

Die Verteilung der Originalmesswerte zur Monodispersität in Form von

Balkendiagrammen entspricht den Erwartungen, ist aber leicht linksschief. Die Werte werden mit y * = y° 5 transformiert. Abbildung 24 zeigt die Verteilung der transformierten Messwerte in Form von Balkendiagrammen.

Aufgrund der schlechten Modellierungsergebnisse für den Quotienten d 90 /d 10 im ersten Versuchsplan, wird zunächst die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse anhand von Wiederholungsversuchen beurteilt.

In Abbildung 25 sind zur Beurteilung der Reproduzierbarkeit das Verhältnis d 90 /d 10 gegen den „Replicate Index" bzw. den Wiederholungsindex aufgetragen. Die Reproduzierbarkeit ist als ausreichend zu bewerten. Die Streuung in den Wiederholungsversuchen ist deutlich kleiner als die Gesamtvarianz der Zielgröße aufgrund veränderter Versuchseinstellungen.

Auch hier wird die Modellgenauigkeit für den Quotienten dgo/dio und die Residuenverteilung des vollständigen Modells (a) und des reduzierten Modells (b) beurteilt.

Nach der Eliminierung eines Ausreißerversuchs erweisen sich die Residuen im verbleibenden Modell als annähernd normalverteilt. In Abbildung 26 sind die entsprechenden Modell-Koeffizienten mit entsprechenden Vertrauensbereichen für d θ o/dio als Balkendiagramme wiedergegeben. Das so ermittelte Modell für die Effekte der Einflussgrößen im untersuchten Bereich weist mit 72,7% eine gute Modellgenauigkeit auf. Die Haupteinflussgrößen auf die Monodispersität sind die Reaktionstemperatur und die Konzentrationen an NVP. Die Konzentrationen von AIBN und PVAc. sind hier nur sekundär zu betrachten. Aufgrund der ermittelten Vertrauensbereiche der einzelnen Modellterme ist bei den Modellvorhersagen zu berücksichtigen, dass sie mit deutlichen Unsicherheiten behaftet sind (siehe Abbildung 26). Die weitere Auswertung der Versuche zeigt eine deutliche Reduzierung des Werts für d 9O /dio durch Temperaturerhöhung von 75°C auf ca. 80 0 C. Ab diesem Punkt bleiben die Werte nahezu konstant. Außerdem werden im untersuchten Bereich für niedrige Konzentrationen an NVP, und hohen Konzentrationen an AIBN und PVAc kleine Werte für die Zielgröße d 90 /d 10 erwartet. Jedoch bringen hier die zum Teil großen Vertrauensbereiche eine hohe Unsicherheit.

Die Ergebnisse des zweiten Versuchsplans folgendermaßen zusammengefasst werden:

Mit der Betrachtung der Reaktionstemperatur über einen größeren Arbeitsbereich konnten deutlich bessere Werte für die mittlere Partikelgröße und die Monodispersität erreicht werden. Zudem wird das untersuchte System in den verwendeten Bereichen durch ein brauchbares Modell für die Veränderung des d 50 und dg O /dio, bei variierenden Versuchsparametern, beschrieben.

Ausgehend von den ermittelten Daten des zweiten Versuchsplans wurde eine Mehr- Größen-Optimierung für die beiden Zielgrößen vorgenommen. Hierbei wurden Versuchseinstellungen ermittelt, bei denen Werte für den Quotienten d 9o /dio< 1,7 und für d 5 o > 2,5μ zu erwarten waren.

Ergänzend zu den Ergebnissen des zweiten Versuchsplans wurden Versuche zur Zielgrößenoptimierung durchgeführt, die direkt an die Modellvorhersagen anknüpften.

In weiteren Versuchen war zu untersuchen, ob sich der Verlauf der Werte für d 90 /d 10 und d 50 in Abhängigkeit von den Einflussgrößen auch außerhalb der untersuchten Bereiche fortsetzt und ob eine weitere Optimierung bezüglich der Zielgrößen möglich ist. Hierzu wurden Versuchsreihen durchgeführt, bei denen die Reaktionsbedingungen des bisherigen Optimums verwendet wurden und diese, bis auf die zu untersuchende Komponente, konstant blieben.

Für beide Zielgrößen d 90 /di 0 und dso hat sich durch die weiteren Versuche der Bereich von 8O 0 C - 85°C als Reaktionstemperatur als vorteilhaft erwiesen. Nach einer deutlichen Verbesserung der Werte für beide Zielgrößen bei einer Temperaturerhöhung von 75°C auf 80 0 C, flacht der Kurvenverlauf stark ab, sodass keine weitere Optimierung durch Erhöhung der Reaktionstemperatur zu erwarten ist.

Der Kurvenverlauf in Abhängigkeit von der AIBN-Konzentration zeigt einen abnehmenden Trend des Wertes für den Quotienten d 9O /dio bei zunehmender Konzentration, während sich die mittlere Partikelgröße im untersuchten Bereich nicht signifikant ändert.

Die Ergebnisse des zweiten Versuchsplans zeigten für den Konzentrationsbereich von NVP im Bereich von 4,5% bis <5,3% tendenziell vorteilhafte Werte für beide Zielgrößen bei niedrigeren NVP- Konzentrationen. Es blieb daher der Bereich < 4,5% NVP ergänzend zu untersuchen.

Eine Änderung der Konzentration von PVAc bewirkt eine negative Korrelation der beiden Zielgrößen. Es wurden daher weitere Untersuchungen in den Bereichen < 6% und >8% durchgeführt.

Viele der durchgeführten Versuche ergeben bimodale Größenverteilungen, wobei die Partikel der jeweiligen Größenklassen eine relativ enge Verteilung aufweisen (siehe Abbildung 27). Der Polarität des Reaktionsmediums wird in der Literatur ein entscheidender Einfluss auf die finale Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung zugesprochen [19]. Die Änderungen der Polarität wurden in weiteren Versuchen durch die Mischung von Propylpropionat mit Ethanol, Isopropanol und 1 ,4-Dioxan in verschiedenen Verhältnissen hervorgerufen. Als Grundlage für die Untersuchungen wird eine Rezeptur ausgewählt, mit der eine deutliche Bimodalität in der Größenverteilung zu erwarten ist. Abbildung 27 zeigt für ein Beispiel eines Ansatzes mit bimodaler Größenverteilung einerseits die Größenverteilung und andererseits eine Aufnahme der entstandenen Partikel.

Die Versuche haben gezeigt, dass nur der Einsatz von weniger als 5% Ethanol bzw. Isopropanol, bezogen auf das Lösungsmittel, die Fällung von isolierten PVP-Partikeln ermöglicht. Mit zunehmender Ethanol- bzw. Isopropanolkonzentration werden die Partikel größer und unrunder mit breiter Größenverteilung. Bei Konzentrationen >5% fällt das PVP nicht mehr partikulär aus. In den Abbildung 28 a) und b) sind Polymerisationsergebnisse bei Erhöhung der Ethanolkonzentration von 1% auf 1 ,5% gezeigt.

Der gefundene Einfluss von Dioxan auf die Versuchsergebnisse wird in Tabelle 12 und dem Diagramm der Abbildung 29 dargestellt.

Tabelle 12: Einfluss von Dioxan

Abbildung 29 gibt in einem Diagramm die Abhängigkeit des d 50 -Wertes und des Quotienten d 90 /di 0 von Dioxananteil wieder.

Wie in Tabelle 12 und in dem Diagramm der Abbildung 29 zu erkennen ist, führt die Zugabe von Dioxan in relativ niedrigen Konzentrationen nur zu einem geringen Vorteil in der Monodispersität (2% - 3% Dioxan). Die Zugabe von 5% - 10% Dioxan wirkt sich dagegen positiv auf den d 5 o-Wert aus, wobei die Größenverteilung nahezu konstant bleibt. Bei einer Zugabe von mehr als 10% Dioxan entstehen deutlich größere Partikel mit breiter Größenverteilung. Ab einer Zugabe von 30% und mehr Dioxan fällt das Polymer nicht mehr partikulär aus.

In den Abbildungen 30 a), b) und c) werden Versuchsergebnisse gezeigt, die mit 0%, 2% und 20% Dioxan durchgeführt worden sind. Scale-up und Übertragung der Versuchserqebnisse auf eine 2L- Doppelmatelapparatur

Bei der Übertragung der Versuche vom Labormaßstab auf einen halbtechnischen Ansatz wird überprüft, wie empfindlich das System auf die damit veränderten Rahmenbedingungen reagiert.

Für die Scale-up-Versuche wird eine 2L-Doppelmantelapparatur aus Glas verwendet, deren Manteltemperatur mit Hilfe eines Wasserkreislaufes geregelt wird. Für den ersten Versuch wird die Rezeptur eines Ansatzes verwendet, der in dem Chemspeed Syntheseautomaten (M 100) mehrmals wiederholt wurde und zu reproduzierbaren Ergebnissen führte und somit als robust anzusehen ist. Anstelle der Stickstoff-Vakuum-Spülung, wie sie in der M100 durchgeführt wird, verläuft die Polymerisation in der DMA unter Stickstoffatmosphäre. Diese wird durch die konstante Stickstoffzufuhr mit 0,2 - 0,4bar gewährleistet.

Weitere primäre Unterschiede zu der Konstruktion des Syntheseautomaten liegen in der Geometrie und dem Material von Reaktor und Rührer, sowie in dem damit verbundenen Strömungsverhalten und Wärmeübergang.

Durchführung der Polymerisation in einem 2 Liter Glas Doppelmantelreaktor (DMA):

84 g Polyvinylacetat (PVAc, 50.000 g/mol) werden bei Raumtemperatur in einer 2 Liter DMA in 1250 g VE-Wasser gelöst. In 63 g N-Vinylpyrrolidon (NVP) werden bei Raumtemperatur in einem Erlenmeyerkolben 0,63 g N 1 N- Divinylethylenharnstoff (DW, BASF Ludwigshafen) und 0,882 g Azobisisobutyronitril (AIBN) gelöst. Die organische Phase wird unter Rühren (Impeiler Rührer, 200 U/min) in die DMA gegeben. Unter Stickstoffspülung wird mit einer Aufheizrate von 1 K/min von Raumtemperatur auf 85 0 C aufgeheizt und diese Temperatur für 16 h gehalten. Anschließend wird mit einer Kühlrate von ca. 2 K/min auf Raumtemperatur abgekühlt und die Dispersion lichtmikroskopisch analysiert. Die Ergebnisse der lichtmikroskopischen Analyse sind in Tabelle 14 dargestellt. Durchführung der Polymerisation in Multiplant M100 Reaktoren:

Die folgenden Mengenangaben beziehen sich auf das Füllen eines von typischerweise sechs eingesetzten Reaktoren der Multiplant M 100 (Chemspeed Technologies AG). Jeder der Reaktoren hat ein

Reaktionsvolumen von ca. 60 ml.

2,4 g Polyvinylacetat (PVAc, 50.000 g/mol) werden bei Raumtemperatur in einem Erlenmeyerkolben in 35,8 g VE-Wasser gelöst. In 1 ,8 g N- Vinylpyrrolidon (NVP) werden 0,018 g N,N-Divinylethylenhamstoff (DW) und 0,025 g AIBN gelöst. Man gibt beide Phasen bei Raumtemperatur in einen der M100 Reaktoren, verschliesst diesen und führt unter Rühren bei 150 U/min einen Inertisierungszyklus (dreimal Vakuum für a 5 min gefolgt von Stickstoffbelüftung) durch. Nun startet man unter Verwendung der Software die Polymerisation durch Aufheizen auf 85°C Polymerisationstemperatur mit einer Heizrate von 1 K/min. Die Polymerisationstemperatur wird für 16 h gehalten, danach kühlt man auf Raumtemperatur ab und anaqlysiert lichtmikroskopisch (Ergebnisse siehe Tabelle 14).

Der erste Scale-up- Versuch wird unter den in Tabelle 13 aufgeführten

Reaktionsbedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse werden in Tabelle 14 und Abbildung 31 gezeigt.

Tabelle 13; Daten für ersten den Scale-up Versuch

In den Abbildungen 31 a) und b) sind zum Vergleich vergrößerte Aufnahmen von Ansätzen aus M100 (a) und DMA (b) gezeigt.

Tabelle 14: Vergleich der Ansätze aus M 100 und DMA

Anhand der Ergebnisse des Scale-up-Versuchs kann die Übertragbarkeit der Rezeptur von einem 40g-Ansatz (M 100) auf einen 1400g-Ansatz (DMA) als gegeben betrachtet werden. Während die absoluten Werte für d 5 o und d 9O /dio reaktorspezifischen Schwankungen unterliegen (siehe Tabelle 14), ist die charakteristische Größenverteilung reproduzierbar (siehe Abbildung 31).

In weiteren Versuchen wird die Vernetzerkonzentration von 1 ,0% auf 2,0% bzw. 1 ,5% erhöht, da die Variation des Vernetzungsgrades der entstehenden

Polymerpartikel für spätere Einquellversuche von Bedeutung ist. Bei der Erhöhung des Vemetzergehalts sind jedoch deutliche Unterschiede zwischen den Ergebnissen aus der M100 und der DMA zu erkennen. Die Änderung von 1 % auf 2% DW bewirkt in der M 100 lediglich einen geringfügig nachteiligen Effekt hinsichtlich der Zielgrößen d 50 und d 9 o/di O . In der DMA hingegen entstehen durch den erhöhten Anteil an DW, bei ansonsten konstanten Bedingungen, starke Anbackungen, Agglomerationen und Verschmelzungen der Partikel. Zudem weisen die Partikel eine stark abweichende Charakteristik in Partikelgröße, Größenverteilung und Sphärizität auf (siehe Abbildungen 32 a) und b)). In den Abbildungen 32 a) und b) sind zum Vergleich vergrößerte Aufnahmen der erhaltenen Polymerpartikel der Ansätze aus M100 und DMA mit 2% DW gezeigt.

Agglomerationen und Anbackungen sind primär eine Erscheinung bei Verwendung zu hoher Monomer- oder zu geringer

Stabilisatorkonzentrationen. Während. eine Erhöhung der Stabilisatorkonzentration von 6% auf 10% keine Auswirkungen zeigt, traten durch eine Verringerung der Monomerkonzentration von 4,5% auf 2,0% keine Agglomerationen und Anbackungen mehr auf. Die Partikel an sich weisen jedoch keine verbesserte Charakteristik auf. Auch bei Variationen des Rührertyps und der Rührerdrehzahl, zum Angleichen der Strömungsverhältnisse in DMA und M 100, bleibt das Ergebnis unverändert.

Weiterhin wurden die hergestellten Polyvinylpyrrolidonpartikel mit Hilfe von Einquellversuchen auf ihr Quellverhalten untersucht, um eine Aussage über die Eignung der Partikel für die Saatpolymerisation und somit zur Herstellung makroporöser Polymerpartikel für die präparative Aufarbeitung von Proteingemischen, treffen zu können.

In der Literatur werden Saatpolymerisationstechniken ausgehend von Polystyrol- Saatpartikeln in polaren Reaktionsmedien, meist Wasser- Ethanol-Gemischen, beschrieben [23-28]. Da mit PVP im Gegensatz zu Polystyrol ein sehr hydrophiles Polymer vorliegt, wird die Quellbarkeit der Partikel in verschiedenen Lösungsmitteln getestet.

Zur Vorbereitung der Einquellversuche werden die Partikel mit Propylpropionat gewaschen, um das Reaktionsgemisch abzutrennen. Hierzu werden die Partikel in mehreren Zyklen erst in der Zentrifuge sedimentiert und, nach Abschütten des klaren Überstands, in Propylpropionat re- dispergiert. Diese Waschzyklen werden bei jedem Lösungsmittelwechsel mit dem entsprechenden Lösungsmittel wiederholt. In der Regel weisen Monomere eine hohe Affinität zu ihren Polymeren auf, so dass für die folgenden Versuche N-Vinylpyrrolidon als Quellmittel verwendet wird.

In Tabelle 15 sind sämtliche, zur Untersuchung der Quelleigenschaften der hergestellten PVP-Partikel durchgeführten Experimente mit Ergebnissen aufgeführt.

Tabelle 15: Ergebnisse der durchgeführten Einquellversuche

Aus den Versuchen können folgende Erkenntnisse gewonnen werden: - PVP-Partikel mit 1 % Vernetzergehalt sind in Wasser, im Gegensatz zu 1 ,5% vernetzten Partikeln, nicht stabil

- Wasser ist ein besseres Quellmittel für PVP und Toluol ein schlechteres als Propylpropionat

- Quelleffekte durch die Zugabe von NVP sind bei den untersuchten Lösungsmitteln lediglich in N-Hexan zu beobachten

- 1 ,5% vernetzte PVP-Partikel sind gegenüber NVP nicht stabil

In einem weiteren Versuch wurde dem Originalreaktionsgemisch die doppelte Menge an NVP, bezogen auf die ursprünglich eingesetzte Masse, mit 1% AIBN zudosiert. Dieses Gemisch wurde den

Standardpolymerisationsbedingungen ausgesetzt. Der mittlere Partikeldurchmesser ist unter diesen Bedingungen von dso = 3,07μm auf d 5 o = 3,86μm gewachsen. Anbackungen und neue, deutlich kleinere Partikel lassen darauf schließen, dass sich das NVP nach der Zugabe sowohl im Lösungsmittel, als auch in den Partikeln befindet (siehe Abbildungen 33 a) und b)). Abbildungen 33 a) und b) zeigen vergrößerte Aufnahmen der gebildeten Partikel unter dem Einfluss der Zugabe von unterschiedlichen Mengen NVP zum Originalreaktionsgemisch und anschließender Polymerisation.

Im Einzelnen haben die unterschiedlichen Verfahrensparameter einen erheblichen Einfluss auf die gebildeten Partikel und deren Eigenschaften. Um ein reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, wurden die Einflussgrößen durch eine geplante Versuchsreihe untersucht.

Durch die entsprechenden eigenen Versuche wurde gefunden, dass die Reaktionstemperatur die Haupteinflussgröße auf beide Zielgrößen darstellt. Während die Änderung der Reaktionstemperatur im Bereich zwischen 62°C und 78°C nur geringe Effekte auf die Monodispersität zeigt, wird die mittlere Partikelgröße nicht signifikant beeinflusst. Bei einer Temperaturerhöhung auf 8O 0 C - 85°C werden jedoch deutlich größere Partikel mit einer engeren Größenverteilung erzeugt. Weitere Versuche zeigten, dass auch noch bei Temperaturen über 85°C gute Polymerisationsergebnisse erhalten werden. Insgesamt wurde durch die Versuche gefunden, dass je nach gewünschtem späteren Anwendungsgebiet der Partikel die Polymerisation bei

Temperaturen im Bereich von 60 bis 9O 0 C durchgeführt werden kann. Abbildung 34 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Zielgrößen d 50 und dgo/dio von der Reaktionstemperatur bei unterschiedlichen Konzentrationen an NVP ( = 4,5%), AIBN (= 1 ,4%), PVAc (= 6%).

Auch der Einfluss der Konzentration von AIBN hat sich in den durchgeführten Versuchsreihen als signifikant erwiesen. Es wurde durch die Variation des Initiatorgehalts gefunden, dass in einem Konzentrationsbereich zwischen 0,5% und 2,0%, bei Reaktionstemperaturen von 62 0 C - 78°C, sich eine negativ korrelierende Änderung der Werte der Zielgrößen ergibt. Dieses bedeutet, dass für geringe AIBN-Konzentrationen große Partikel mit einer breiten Größenverteilung zu erwarten sind. Im Bereich zwischen 0,9% und 1 ,4% AIBN, bei 75°C - 85 0 C, wurden keine signifikanten Effekte auf die mittlere Partikelgröße gefunden. Mit 1 ,4% AIBN sind jedoch tendenziell niedrigere Werte für dθo/dio zu erwarten. In einer ergänzenden Versuchsreihe wurde die Konzentration von AIBN zwischen 0,2% und 5,0%, bei T = 85 0 C, variiert (siehe Abbildung 35). Während die mittlere Partikelgröße in diesem Bereich bei zunehmendem AIBN-Gehalt abnimmt, ist bezüglich der Werte für d 9O /dio kein eindeutiger Trend zu erkennen.

Die Werte für die Monodispersität befinden sich bei diesen Einstellungen unabhängig von der Konzentration an AIBN auf einem nahezu konstanten Niveau. Im Konzentrationsbereich an AIBN von < 0,5% wurde keine quantitativ ausreichende Fällung der PVP-Partikel bewirkt. Bei einer Konzentration an AIBN > 4% kommt es dagegen zu Agglomerationen.

Abbildung 62 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Zielgrößen d 50 und d 9O /dio von der AIBN-Konzentration bei T = 85°C, sowie von einer NVP- Konzentration = 4,5% und PVAc-Konzentration von 6%.

Der Einfluss der Konzentration von PVAc als Stabilisator wurde in einem

Konzentrationsbereich zwischen 0,8% und 18%, bei 62° - 78°C, untersucht. In diesem Bereich stellt die Konzentration PVAc die Haupteinflussgröße auf die mittlere Partikelgröße dar. Bei geringen PVAc-Konzentrationen sind große Partikel zu erwarten. Auf die Partikelgrößenverteilung sind keine signifikanten Einflüsse zu erkennen. Weitere Versuche wurde in einem Konzentrationsbereich zwischen 6% - 8% und bei 75°C - 85°C, durchgeführt. Hierdurch wurde gefunden, dass sich die eingesetzte Konzentration von PVAc signifikant auf die Partikelgrößen auswirkt, und zwar negativ korrelierend auf die Werte für d 5 o und d 90 /di 0 . Auch durch Versuche in denen PVAc in Konzentrationen zwischen 2,5% und 10%, bei T = 85 C C eingesetzt wurden, hat sich dieser Trend bestätigt (siehe Abbildung 36), so dass aufgrund der gefundenen Ergebnisse Partikeldurchmesser unter bestimmten Reaktionsbedingungen recht gut vorausgeplant werden können. Auch die Vorhersage des niedrigsten Werts für d 90 /di 0 bei 8% PVAc stimmte beispielsweise mit den Ergebnissen der Versuchsreihen überein.

Abbildung 36 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Zielgrößen d 50 und d 9O /dio von der PVAc-Konzentration bei T = 85°C, NVP-Konzentration = 4,5% und AIBN-Konzentration = 1 ,4%

Die Startkonzentration des N-Vinylpyrrolidons als Monomer wurde nur in einem sehr engen Bereich, zwischen 3% und 6%, und speziell im Bereich zwischen 4,5% und 5,3% variiert. Der Einfluss der NVP-Konzentration erwies sich als signifikant, und es wurden bei 4,5% tendenziell größere Partikel mit engerer Größenverteilung gefunden, in Ergänzungsversuchen wurde dieser Trend über die gewählten Grenzen hinaus, zwischen 2,5% und 5% NVP, bestätigt.

Die Abhängigkeit der Partikelgröße von der Initiatorkonzentration wird in den meisten Systemen mit zunehmender Partikelgröße bei zunehmendem Startergehalt beschrieben. Dies wird in der Literatur damit begründet, dass in der Keimbildungsphase mit zunehmender Radikalkonzentration mehr Polymerketten gleichzeitig ausfallen und diese zu größeren Partikeln koagulieren können bevor die Stabilisierung der Keime abgeschlossen ist [12,14,16,19,21]. Der gegensätzliche Effekt wird allein basierend auf empirischen Daten beschrieben [18]. Ebenso werden gegensätzliche Auswirkungen in verschiedenen Lösungsmitteln beobachtet [11].

In eigenen Versuchen zur Dispersionspolymerisation von N-Vinylpyrrolidon in Propylpropionat mit AIBN als Initiator und PVAc als Stabilisator hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Partikelgröße bei einer Erhöhung der Konzentration von AIBN von 0,5% auf 2% deutlich abnimmt. Weitere Konzentrationserhöhungen an Initiator führen zu keiner signifikanten Änderung in der Partikelgröße. Der Einfluss der Stabilisierung ist bezüglich der Partikelgröße in dem untersuchten System analog der in der Literatur beschriebenen Modelle zu betrachten. Mit zunehmender Stabilisatorkonzentration kann eine größere Oberfläche stabilisiert werden, die unter Abnahme der Partikelgröße gewährleistet ist. Durch eigene Versuche wurde gefunden, dass in

Übereinstimmung mit der Literatur durch PVAc mit höherem Molekulargewicht eine effektivere Stabilisierung bewirkt wird. Mit zunehmender Temperatur und zunehmender Monomerkonzentration nimmt die Löslichkeit des entstehenden Polymers und des Stabilisators zu. Dies hat zum Einen zur Folge, dass das Polymer erst bei einem höheren Molekulargewicht aus dem Reaktionsgemisch ausfällt, und die Polymerisation somit länger in der mobilen Phase stattfindet. Zum Anderen wird die stabilisierende Wirkung des Stabilisators durch dessen höhere Löslichkeit verringert, sodass durch mehr Koagulationen während der Keimbildung größere Partikel entstehen [11-22]. Dieses stimmt mit den Ergebnissen der hier durchgeführten Versuche bezüglich der Reaktionstemperatur überein. Auch die Versuche zur Änderung der Polarität durch Losungsmittelgemische bestätigen diesen Effekt.

in der Literatur wird ein mechanistisches Modell für die Monodispersitäi beschrieben, in dem die Anzahl der Partikel nach 20 Minuten bzw. vor 5% Umsatz der Polymerisation definiert ist [11-13]. Ab diesem Zeitpunkt findet nur noch ein Wachstum der Partikel statt, das über die Absorption der übrigen Monomere und Oligomere verläuft. Um monodispers verteilte Partikel zu erzeugen, müssen zu Beginn der Reaktion genügend Keime gebildet werden, um die restlichen Oligomere aufzunehmen zu können, bevor diese zu neuen Keimen stabilisiert werden („Zweit- Nukleation"). Auf die Generierungsrate ausfallender Polymerketten und auf die Stabilisierungsrate während der Keimbildungsphase, kann über die Reaktionstemperatur und die Art und Konzentration des Initiators,

Monomers, Lösungsmittels und Stabilisators Einfluss genommen werden [11-22]. Die Änderung der Größenverteilung der Partikel durch Variation der Einflussgrößen wird in der Literatur jedoch nur spezifisch für die entsprechenden Systeme, anhand empirisch ermittelter Daten, beschrieben.

Durch eigene Versuche wurde gefunden, dass der Größenunterschied der Partikelpopulationen durch Variation der Konzentrationen des Initiators und des Monomers beeinflusst werden kann. Diese Änderung in der Monodispersität macht sich über den Wert für d 9o /dio nicht signifikant bemerkbar. In Abbildung 37 ist die Änderung der Charakteristik der Größenverteilung bei variierender Konzentration an AIBN abgebildet. Eine weitere Möglichkeit die Partikelgrößenverteilung zu beschreiben, ist die Angabe des Polydispersitätsindex (PDI):

Abbildung 37 gibt die Abhängigkeit der Größenverteilung von der Konzentration an AIBN, mit 0,5% (1), 1 ,8% (2) und 4% (3) wieder.

Tabelle 16: Gegenüberstellung der Werte für PDI und dgo/dio bei variierender Monomer- und AIBN-Konzentration Abkürzungsverzeichnis

[x] = Konzentration von x

AIBN = Azo-bis-isobutyronitril DMA = Doppelmantelapparatur

DW = Divinyl-Verbindung

M 100 = Multiplant 100 (Syntheseautomat)

MW = Molekulargewicht

NVP = N-Vinylpyrrolidon PAA = Polyacrylsäure

PVAc = Polyvinylacetat

PVME = Polyvinylmethylether

Tabellenverzeichnis

Tab. 1 : lineare, quadratische und Wechselwirkungsterme für zwei Faktoren und drei Faktoren Tab. 2: Lösungs- und Fällungsmittel für Polyvinylpyrrolidon aus der

Produktbeschreibung der Luvitec® K-Marken von der BASF [31]

Tab. 3: Ausgewählte Lösungsmittel und Ergebnisse der Vorversuche zur

Ermittlung der Löslichkeiten

Tab. 4: Löslichkeiten der sterischen Stabilisatoren Tab. 5: Zusammenfassung der Vorversuche zur Eignung verschiedener

Lösungsmittel und Stabilisatoren

Tab. 6: Komponenten des untersuchten Systems

Tab. 7: Parameterbereiche für den ersten Versuchsplan

Tab. 8: Ergebnisse aus Wiederholungsmessungen Tab. 9: Erster Versuchsplan mit Ergebnissen für die Einzelexperimente

Tab. 10: Parameterbereiche für den zweiten Versuchsplan

Tab. 11: Zweiter Versuchsplan mit Ergebnissen für die Zielgrößen

Tab. 12: Einfluss von Dioxan

Tab. 13: Daten für ersten Scale-up-Versuch Tab. 14: Vergleich der Ansätze aus M100 und DMA

Tab. 15: Ergebnisse der durchgeführten Einquellversuche Tab. 16: Gegenüberstellung der Werte für PDI und d 90 /d 10 bei variierender Monomer- und AIBN-Konzentration

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 : Reaktionsschritte der radikalischen Polymerisation von

Vinylpyrrolidon

Abb. 2: Schematisches Wirkungsprinzip der sterischen Stabilisierung.

Abb. 3: Verlauf der Entstehung und Entwicklung von Polymerpartikeln während derDispersionspolymerisation am Beispiel der Polymerisierung von

Styrol mit einem funktionellen Makromer als sterischen Stabilisator [14]

Abb. 4: Beispiel für die Wachstumsabfolge in der Saatpolymerisation [5]

Abb. 5: Phasen in der Anwendung eines DoE

Abb. 6: Inpυt - Output - Modell eines Prozesses oder Systems Abb. 7: Darstellung des Einflusses zeitbedingter Störungen am Beispiel eines Gerätedriftens und dem Vorteil eines randomisierten Versuchsplans

Abb. 8: Räumliche Anordnung der Versuchspunkte für zwei Faktoren (links) und drei Faktoren (rechts).

Abb. 9: Vereinfachtes Fließbild zur Beschreibung der Funktionsweise der Multiplant MIOO

Abb. 10: Funktionsprinzip der Manteltemperierung (Draufsicht).

Abb. 11 : Mikroskopaufnahmen von PVP-Partikeln aus den Vorversuchen, charakteristisch für die Systeme mit PVME, PVAc MW 140k, PVAc MW

50Ok 1 PVAc MW 50k als Stabilisator in Propylpropionat (B - E) und in Ethylacetat (A).

Abb. 12: Beispiel für ein Volumen-%-Verteilungs-Diagramm mit den berechneten Werten für dio, d 50 , d 90 und Monodispersität.

Abb. 13: Verteilung der Originalmesswerte für ds 0 .

Abb. 14: Verteilung der transformierten Messwerte für d 50 . Abb. 15: Modell-Koeffizienten mit entsprechenden Vertrauensbereichen

(reduziertes Modell)

Abb. 16: Eindimensionale (links) und zweidimensionale (rechts)

Modellvorhersage für die Änderung des d 50 ...

Abb. 17: Verteilung der Originalmesswerte für d90d10. Abb 18: Verteilung der transformierten Messwerte für dgo/dio-

Abb. 19: Verteilung der Originalmesswerte

Abb. 20: Verteilung der transformierten Messwerte Abb. 21 : Modell-Koeffizienten mit entsprechenden Vertrauensbereichen für dso

Abb. 22: Eindimensionale Modellvorhersage für die Änderung des d 50

Abb. 23: Zweidimensionale Modellvorhersage für die Änderung des d50 bei mittlerem Niveau für AIBN und [PVAc] bei 6%, 7%, 8% (von links nach rechts)

Abb. 24: Verteilung der transformierten Messwerte

Abb. 25: Beurteilung der Reproduzierbarkeit

Abb. 26: Modell-Koeffizienten mit entsprechenden Vertrauensbereichen für dgo/dio

Abb. 27: Beispiel eines Ansatzes mit bimodaler Größenverteilung

Abb. 28: Ergebnisse bei Erhöhung der Ethanolkonzentration von 1% auf

1 ,5%

Abb. 29: Abhängigkeit von d 50 und d 90 /di 0 von Dioxananteil Abb. 30: Versuche mit 0%, 2% und 20% Dioxan

Abb. 31 : Vergleich der Ansätze aus M 100 (links) und DMA (rechts)

Abb. 32: Vergleich der Ansätze aus M 100 und DMA mit 2% DW

Abb. 33: Effekt der Zugabe von NVP zum Originalreaktionsgemisch mit anschließender Polymerisation Abb 34: Abhängigkeit der Zielgrößen dso und d 9O /dio von der

Reaktionstemperatur bei [NVP] = 4,5%, [AIBN] = 1 ,4%, [PVAc] = 6%

Abb. 35: Abhängigkeit der Zielgrößen d 5 o und d 9O /dio von der AIBN-

Konzentration bei T = 85°C, [NVP] = 4,5%, [PVAc] = 6%

Abb. 36: Abhängigkeit der Zielgrößen d50 und dgo/dio von der PVAc- Konzentration bei T = 85°C, [NVP] = 4,5%, [AIBN] = 1 ,4%

Abb. 37: Abhängigkeit der Größenverteilung von [AIBN], mit 0,5% (1), 1 ,8%

(2) und 4% (3)

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