. Eine Polymermembran dieser Art ist bekannt (DE-OS 196 48 881). Mittels dieser bekannten Membran ist eine steuer- bare, kontrollierte Biokatalyse in der Membran grund- sätzlich möglich, und es ist auch eine wenigstens aus- reichende Substratzugänglichkeit zu den in den Poren lo- kalisierten Enzymen gewährleistet.

Bei weiteren Untersuchungen der bekannten Membran und auch grundsätzlichen Untersuchungen auf diesem Gebiet ist herausgefunden worden, daß die Bildung der im folgenden besonders interessierenden makromolekularen Produktmoleküle nicht nur von der mittleren Porengröße der Membran und ihrer Porengrößenverteilung, sondern ganz erheblich von den in der Pore vorliegenden Strö- mungsverhältnissen abhängen. Die Tortuosität des gesam- ten transmembranen Transportweges beeinflußt den Strö- mungswiderstand und damit die Prozeßleistung. Bei der Kombination von Stoffwandlung und Stofftrennung inner- halb des Porengefüges der gattungsgemäßen Membran, welche als Ensemble von Mikroreaktoren betrachtet werden kann, ist herausgefunden worden, daß eine erhebliche Einflußgröße zusätzlich noch die Art der Strömungsver- hältnisse in den Membranporen ist. Für eine effektive Durchführung von enzymatischen Polymersynthesen Reakti- onen in solchen Mikroreäktoren ist ein schnellstmög- licher Abtransport des entstandenen Produktes von sehr großer Wichtigkeit.

Es wurde herausgefunden, daß es anderenfalls, wie z. B. bei nur diffusivem Stofftransport durch die Poren, schnell zu einer Katalysatorvergiftung durch Produktin- hibition kommen kann. Damit einhergehend ist der gra- vierende Nachteil, daß dadurch auch die mit der mittels der in die Membran eingelagerten Enzyme verbundene enzymati, sche Wachstumsreaktion blockiert wird. Versuche zur enzymatischen Herstellung, beispielsweise zur Herstellung eines Polysaccharids, haben ergeben, daß geometrisch definierte, idealerweise durchgängige ausreichend große Poren, wie sie in Kernspurmembranen ausbildbar sind, vorzusehen sind, um eine Verstopfung zu vermeiden. Dennoch hat sich herausgestellt, daß nach viel zu kurzer Reaktionszeit keine Enzymaktivität mehr meßbar und damit die angestrebte kontinuierliche Pro- zeßführung in Frage gestellt ist.

Aus Modellversuchen konnte gefolgert werden, daß sich in den zylinderförmigen Poren eine laminare Strömung ausbildet, so daß an der Porenwand, an der die-Enzyme immobilisiert wurden, nur ein rein diffusiver Stoff- transport möglich ist, der viel zu langsam ist und dadurch die Enzyme im Produkt"ersticken"läßt.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Membran der eingangs genannten Art derart zu verbessern und weiterzubilden, daß ein erforderlicher konvektiver Stofftransport wenigstens bis in die Nähe der immobili- sierten Enzyme, die an den Porenwänden der Membran gebunden sind, ermöglicht wird, wobei die Membran dabei mit einfachen Mitteln, ausgehend von der gattungsgemäßen Membran, hergestellt werden kann und eine Verwendung der so hergestellten Membran für eine kontinuierliche Prozeßführung auch in technischem Maße möglich sein soll Diese Aufgabe wird gemäß der erfindungsgemäßen Polymer- membran dadurch gelöst, daß in den Poren Mittel zur Er- zeugung einer turbulenten Strömung des Substrats und/ oder des Gemisches aus Substrat und Produkt vorgesehen sind.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, betreffend die Polymermembran, ist der, daß eine signifikante Stabili- sierung der Aktivität der immobilisierten Enzyme möglich ist, d. h., daß die Wechselwirkungskräfte zwischen Permeand und Membranpolymer verstärkt werden bzw. der Kontakt von Substratmolekülen zu aktiven Liganden, d. h. hier den Enzymen, erleichtert bzw. überhaupt in nen- nenswertem Umfang ermöglicht wird. Würde sich, wie im Stand der Technik, beim Durchströmen des Substrats durch die Poren, wie bisher, eine im wesentlichen laminare Strömung ausbilden, so hätte das zur Folge, daß an der Porenwand quasi eine Ruhezone vorhanden sein wurde, mit der nachteiligen Folge, daß nur ein diffusiver Stoff- transport stattfinden könnte. Die erfindungsgemäße Lösung beseitigt diese Ruhezonen in erheblicher Weise, wenn nicht sogar vollständig.

Grundsätzlich ist es möglich, diese Mittel zur Erzeugung einer turbulenten Strömung des Substrats in den Poren auf beliebige geeignete Weise auszubilden. So ist es beispielsweise denkbar und auch grundsätzlich möglich, die Porenwandung bei der Herstellung der Membran, selbst wenn diese die Membran auf dem kürzesten Weg durchque- ren, strukturiert auszubilden, so daß beim Durchfließen des Substrats durch die Poren die Strukturen als Schi- kanen für die strömende Substratlösung wirken, mit der Folge, daß sich die angestrebte turbulente Strömung in den Poren ausbildet.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Membran ist das Mittel allerdings in Form korpuskularer Elemente ausgebildet, die in der der Membran zugeführten Substratlösung selbst enthalten sind. Dadurch ist es beispielsweise vorteilhafterweise möglich, die mittlere Größe der korpuskularen Elemente unmittelbar an das Substrat, an die Membran selbst und an die Art der in den Poren der Membran gebundenen Enzyme anzupassen. Auch ist es bei dieser Ausgestaltung möglich, die Membran beispielsweise nacheinander mit unterschiedlich großen korpuskularen Elementen zu beschicken, beispielsweise alternierend und/oder mit zunehmender bzw. abnehmender Größe.

Bei einer anderen sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Membran, bei der die Mittel wiederum korpuskulare Ele- mente sind, werden diese an die Porenwand der Membran selbst angelagert und verbleiben dort fortwährend.

Vorteilhafterweise sind die Mittel grundsätzlich che- misch inert, d. h. nehmen an der Wechselwirkung zwischen Substrat und den Enzymen nicht teil. D. h. mit anderen Worten, daß die chemisch inerten Turbulenzmittel, da sie einen mechanischen Widerstand für die Substratlösung bilden, ausschließlich physikalisch bedingt für die turbulente Strömung des Substrats bzw. des Gemisches aus Substrat und des in den Poren erzeugten Produkts sorgen.

Es hat sich aber auch als vorteilhaft erwiesen, turbu- lenzerzeugende Mittel aus einem Gemisch chemisch inerter und chemisch reaktiver korpuskularer Elemente auszubil- den, so daß es beispielsweise möglich ist, daß bei ge- eigneter chemisch reaktiver Anpassung der korpuskularen Elemente an den Membranwerkstoff in den Poren die Anla- gerung an die Porenwandungen ermöglicht bzw. verbessert wird.

Dabei ist es vorteilhaft, die reaktiven korpuskularen Elemente aus einem chemisch inerten Kern und einer che- misch reaktiven Umhüllung auszubilden. Mit der zusätzli- chen chemisch reaktiven Umhüllung kann die gesamte Oberfläche der Porenwand geschickt vergrößert werden, mit der Folge, daß wesentlich mehr Enzyme pro Volumen auf der Oberfläche gebunden werden können, wodurch die Leistungsfähigkeit der Membran wesentlich und gezielt erhöht werden kann.

Die korpuskularen Elemente, die für die turbulente Strö- mung des Sustrats in den Poren sorgen, können an sich eine beliebige geeignete Struktur aufweisen. Es hat sich dabei aber als vorteilhaft herausgestellt, die korpusku- laren Elemente im wesentlichen mit einer kugelförmigen Struktur zu versehen, deren Herstellung im Vergleich zu anderen Strukturen ggf. einfacher ist.

Die korpuskularen Elemente können grundsätzlich aus beliebigen geeigneten Werkstoffen bestehen, wobei sich als vorteilhaft herausgestellt hat, die korpuskularen Elemente beispielsweise aus Polystyren (Latex) auszu- bilden. Dieser Werkstoff weist für die hier beschrie- benen Anwendungszwecke der Polymermembran ein gutes chemisch inertes Verhalten auf.

Die oben beschriebenen chemisch reaktiven korpuskularen Elemente bestehen wenigstens teilweise aus Polyglycidyl- methacrylat, es sind aber auch andere chemisch reaktive Werkstoffe denkbar.

Der mittlere Durchmesser der korpuskularen Elemente wird weitgehend in Abhängigkeit des membranbildenden Werk- stoffs, des Substrats, sowie des Porendurchmessers und ggf. auch in Abhängigkeit der Art der in die Porenwand einzulagernden Enzyme gewählt. Es hat sich herausge- stellt, den mittleren Durchmesser der korpuskularen Ele- mente vorzugsweise im Bereich von 50 bis 1000 nm je nach vorgegebenem Porendurchmesser auszuwählen, wobei beson- ders vorteilhafterweise ein Viertel des Durchmessers der mittleren Porengröße ausgewählt wird.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß der mittlere Durch- messer der korpuskularen Elemente bei den chemisch iner- ten und chemisch reaktiven korpuskularen Elementen gleich oder unterschiedlich gewählt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Polymermembran ist dadurch gekennzeichnet, daß die der Membran zugeführte Lösung a. zunächst mit korpuskularen Elementen beladen wird, b. anschließend in die Poren der Membran gelei- tet wird, c. anschließend an den Orten gemäß Merkmal b. eine vorbestimmte Zeit bei vorbestimmter Tempe- ratur belassen und d. schließlich mit wenigstens einem Lösemittel gewaschen wird.

Der Vorteil der Lösung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß eine derart hergestellte Membran die Voraussetzung dafür schafft, daß kontinuierliche biokat- alytische Herstellungsprozesse von Produkten sehr viel wirtschaftlicher gestaltet werden können als bisher, d. h. auch in technischem Maßstab durchführbar sind, beispielsweise zur Herstellung von Medikamenten, Lebens- mittelzusatzstoffen, die bestimmte Verträglichkeitsei- genschaften aufweisen müssen, und anderen Produkten.

Das Verfahren wird vorteilhafterweise dadurch weiterge- bildet, daß eine Mischung aus chemisch inerten und chemisch reaktiven korpuskularen Elementen verwendet wird, wobei die Dichte der Beladung der Porenwand mit chemisch reaktiven korpuskularen Elementen aufgrund ihrer vorbestimmten, gewollten Wechselwirkung gezielt mit dem Werkstoff der Membranen in den Poren auch eingestellt werden kann.

Die Verweilzeit gemäß Merkmal c. kann in Abhängigkeit des Werkstoffs der Membran, des Werkstoffs der korpus- kularen Elemente, des chemisch reaktiven Werkstoffs der korpuskularen Elemente und auch der mechanischen Dimen- sionen der Membran gewählt werden. Es hat sich aber als vorteilhaft herausgestellt, die Verweilzeit beispiels- weise im Bereich von 12 h vorzusehen, wobei die Tempe- ratur dabei vorzugsweise im Bereich der Raumtemperatur liegt, so daß für die Herstellung keine besonderen Maß- nahmen in bezug auf Temperierung des Einlagerungsvor- ganges getroffen werden müssen. Dieses schließt aller- dings nicht aus, daß es für bestimmte Anwendungszwecke durchaus denkbar und möglich ist, die Temperierung auch im Bereich höherer Temperatur vorzusehen.

Das Verfahren wird, wie beschrieben, dadurch abgeschlos- sen, daß die mit den korpuskularen Elementen gefüllte Membran schließlich mit einer wässrigen Lösung ausgewa- schen wird, um somit alle nicht fest gebundenen Partikel zu entfernen und wiederum eine hohe Membrandurchlässig- keit zu erreichen, wie sie vor der Beladung bestanden hat. Der Waschvorgang kann vorzugsweise mit einer wässrigen Lösung, beispielsweise nur mit Wasser ohne Zusätzen oder beispielsweise mit Wasser und wenigstens einem Tensid vorgenommen werden.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach- folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus- führungsbeispieles beschrieben. Darin zeigen : Fig. 1 schematisch ein Ausgangssubstrat in Form von Saccharose, das mittels der Membran in Inulin und Glucose durch eine FTF-gestützte biokata- lytische Umwandlung hergestellt wird, Fig. 2A einen schematischen Schnitt durch eine Pore der Polymermembran mit dem laminaren Strömungsver- lauf der Substratlösung und der Blockierung des Enzymes durch die entstandenen Produktmoleküle als Ausgangssituation, Fig. 2B eine Erhöhung des Strömungsgradienten an den Enzymmolekulen durch Einbau von Partikeln an der Porenwand, die als Strömungsschikanen wirken und so einen schnellen Produktabtrans- port bewirken, Fig. 3 einen Schnitt durch die Membran, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop, die kor- puskularen Elemente, die in den Poren in Form von Latexkugeln eingelagert sind, Fig. 4 eine graphische Darstellung des stark zuneh- menden Verstopfungsverhaltens als deutliche Abnahme des Fluxes von nicht mit korpuskularen Elementen beladener Membranen in Form von Kernspurmembranen und darin ausgebildeter zylinderförmiger Poren in Abhängigkeit ihres Durchmessers, Fig. 5 das Ergebnis einer Untersuchung eines flächigen Modellsystems eines mit Enzym beladenen poren- freien Films, inwieweit sich bei hoher Über- strömgeschwindigkeit in einer Cross-Flow-Zelle die Aktivität des Systems in Abhängigkeit von der Reaktionszeit verändert, Fig. 6 das Ergebnis eines Versuches mit der erfin- dungsgemäßen Membran in Form einer Kernspurmem- bran mit einem Zylinderkapillardurchmesser von 1000 nm und gleicher Durchströmung von 320 1/hm mit und ohne zugeführte korpuskulare Elemente (Latexkugeln), Fig. 7 ein Diagramm, bei dem die Abhängigkeit der En- zymaktivität, gemessen für Glucose und Fructo- se, einer Membran in Form einer Kernspurmembran mit Zylinderporendurchmesser von 400 nm, an de- ren Porenwänden das Enzym direkt gebunden ist, von der Reaktionszeit erkennbar ist. Die Enzymaktivität kann nicht mehr durch höhere Durchströmungsgeschwindigkeit zurückerhalten werden, während bei der Fig. 8 erfindungsgemäßen Membran in gleich skaliertem Diagramm gemäß Fig. 7, bei der durch die korpuskularen Elemente erzeugten Strömungswir- bel bei gleicher Anfangsgeschwindigkeit von 32 l/hm2 deutlich länger eine höhere Aktivität bei höherer Anfangseffektivität ersichtlich ist, die durch eine stärkere Enzymbeladung bedingt ist. Durch eine höhere Durchströmungsgeschwin- digkeit kann sogar die Enzymaktivität wieder erhöht werden.

Zunächst wird Bezug genommen auf die Darstellung von Fig. 2A. Eine Polymermembran 10, von der hier beispiels- weise lediglich eine Pore 11 bzw. ein Kanal 11 im Quer- schnitt dargestellt ist, wird beispielsweise auf übliche Weise hergestellt. Es kann sich im vorliegenden Falle bei der Polymermembran 10 um eine sogenannte Kernspur- membran mit sehr einheitlichen Poren 11, beispielsweise in Form von durchgängigen zylindrischen Kanälen, han- deln. Bei der bestimmungsgemäßen Funktion der Membran 10 wird ein Substrat 15 eingangsseitig 16 der Membran 10 zugeführt. In die Poren bzw. Kanäle 11 der Membran 10 sind zuvor Enzyme 12 eingelagert worden, vgl. auch dazu die DE-PS 196 48 881. Aus dem in der Darstellung von Fig. 2A unten gezeigten Ausgang 17 tritt nach der biokatalytischen Reaktion das Produkt 21 und die hin- durchfließende Substratlösung 15 in Form eines Gemisches 19 (Permeand) aus.

Bei der hier beispielhaft beschriebenen enzymatischen Reaktion mit einer Fructosyltransferase (FTF), vgl. Fig.

1 wird Saccharose als Substrat 15 zunächst in Glucose 21a und einen aktiven Fructosylrest gespalten. Augen- blicklich danach verbinden sich in einer gekoppelten Reaktion diese Fructosylreste mit ihrer Bindungsenergie zum Polyfructan 21. Wird das Enzym 12 in den Poren 11 der Polymermembran 10 kovalent immobilisiert, so kann bei einer druckgetriebenen transmembranen Passage des Substrats 15 diese Reaktion kontinuierlich betrieben werden. Bei Verwendung z. B. von Inulinsucrase (FTF) aus Streptococcus mutans entsteht auf diese Weise Inulin mit hoher Molmasse Mw : 10... 80 Mio Dalton bei einer sehr geringen Polydispersität P : 1,1. (Hicke et al.) Bisher übliche integral-asymmetrische Membranen mit Poren unterschiedlicher Geometrie und Größe verstopfen sehr schnell. Es werden deshalb erfindungsgemäß als Polymermembranen 10 vorzugsweise sogenannte Kernspur- membranen mit sehr einheitlichen Poren in Form von durchgängigen Zylinderkanälen bzw.-kapillaren verwen- det. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß erst bei einem Durchmesser der Poren 10 von 3000 nm, d. h. ohne Beladung von korpuskularen Elementen 20, kaum noch eine Verstop- fung auftritt. Allerdings wurde schon nach 12 h nur noch eine geringe Enzymaktivität gemessen. Mit Hilfe eines flächigen Modellsystems eines mit dem Enzym 12 beladenen porenfreien Films, vgl. Fig. 5, wurde untersucht, inwie- weit sich bei hoher Überströmgeschwindigkeit in einer Cross-Flow-Zelle die Aktivität in Abhängigkeit von der Reaktionszeit verändert. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß in jedem Einzelfall, auch bei dem Vergleich mit geringer Überströmung, die anhand der Glukosebildung gemessene Enzymaktivität über längere Zeiträume (insgesamt 440 h) erhalten bleibt. Allerdings ist nach 140 h nur noch wenig Inulinaktivität vorhanden, da sich das Glucose/ Fructose-Verhältnis auf nahezu 1 1 einstellt. Dieser Sachverhalt stützt die Annahme, daß in den Poren 11 nur deshalb so schnell keine Enzymaktivität mehr gefunden wird, weil sich an der Porenwand 110 eine Diffusionszone ausbildet, vgl. Fig. 2A, in der sich das Produkt 21 schneller bildet, als es herausdiffundieren kann, wo- durch das Enzym 12 gleichsam"erstickt", vgl. dazu wie- derum Fig. 2.

Gemäß der erfindungsgemäßen Polymermembran Fig. 2B läßt sich der gewünschte konvektive Stofftransport durch Zugabe von korpuskularen Elementen, hier im Beispiel in Form von Polystyren-Latexkugeln (Durchmesser dK : 100 nm) in die Substratlösung 15 deutlich verbessern. Bei enzymbeladenen Membranen 10 in Form von Kernspurmem- branen mit einem Zylinderkapillardurchmesser dz : 1000 nm und gleicher Durchströmung J : 320 1/hm2 ist bei einem Zusatz von korpuskularen Elementen 20 in Form von Polystyren-Latexkugeln nicht nur deutlich mehr Produkt 21 entstanden, sondern darüber hinaus auch ein sehr günstiges Glucose/Fructose-Verhältnis festzustellen.

Der sehr geringe Fructosegehalt läßt einen hohen Anteil am Zielprodukt Inulin erwarten. Die korpuskularen Elemente 20 in Form von Latexkugeln erhalten vor Ein- tritt in den Eingang der Poren 11 einen Drall (Dean- Wirbel). Durch diese Rotationsgeschwindigkeit werden die korpuskularen Elemente 20 in Form von Latexkugeln aus der Laminarströmung herausbewegt und stoßen dann an die Porenwandung 110. Der Abprall bewirkt die Entstehung weiterer Turbulenzen und damit den gewünschten konvek- tiven Stofftransport. Gemäß der Erfindung sollte der die Ausbildung einer Laminarströmung störende Effekt eben- falls dazu genutzt werden, die korpuskularen Elemente 20 an der Porenwandung 110 zu befestigen und gleichsam als in die Strömung des Substrats 15 bzw. der Substratlösung hineinragende Schikanen die Entstehung von Turbulenzen bewirken. Ferner soll durch die mit der Bindung der korpuskularen Elemente 20 größere spezifische Oberfläche eine größere Enzymmenge pro Flächen-bzw. Volumeneinheit immobilisiert werden (s. Fig. 2B).

Mit einem Gemisch z. B. aus 3 RT einer 2 %-igen Latex- sung, deren Kugeln (dK : 250 nm) chemisch inert sind, d. h. nur aus Polystyren bestehen, und 1 RT eine 2 %-igen Latexlösung, deren Kugeln aus einem Polystyrenkern und einem chemisch reaktiven Mantel aus Polyglycidylmethac- rylat aufgebaut sind, werden die Poren 11 der Polymer- membran 10 gefüllt und beispielsweise 12 h bei z. B.

Raumtemperatur stehen gelassen. Nach einer Waschprozedur mit Wasser und einer 0,1 %-; gen Tensidlösung wurde bei der Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit der Polymer- membran 10 annähernd wieder der Ausgangswert gemessen.

Die Immobilisierung der Fructosyltransferase FTF (Inu- linsucrase) erfolgt über 20 h bei Raumtemperatur und pH 7,2 an diese kovalent gebundenen korpuskularen Elemente 20 (Latices). Nach mehrmaligem Waschen mit Phosphat-Puf- fer pH 7,2 und Spülen mit Tensidlösung wurde die en- zymatische Reaktion genau wie oben mit 5 %-iger Saccha- roselösung bei pH 7,2 und 28 °C durchgeführt. Das Ergebnis ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt.

Aus dem Diagramm gemäß Fig. 7 ist die Abhängigkeit der Enzymaktivität (gemessen für Glucose und Fructose) einer als Kernspurmembran ausgebildeten Polymermembran 10 mit zylinderförmigen Poren 11 mit einem Durchmesser von Dz : 400 nm, an deren Porenwandungen 110 das Enzym 12 direkt gebunden wurde, von der Reaktionszeit zu erkennen. Diese Polymermembran 10 wurde für den Vergleich ausgewählt, um die Porenverteilung bei der erfindungsgemäßen Membran auf 500 nm durch die gebundenen Latices mit DZ 250 nm annähernd berücksichtigen zu können. Die Polymermembran ist bei einer Durchströmgeschwindigkeit v : 32 1/hm2 nach einer Reaktionszeit t > 70 min irreversibel ver- stopft.

Die erfindungsgemäße Polymermembran 10 in gleich ska- liertem Diagramm gemäß Fig. 9 zeigt durch die erzeugten Strömungswirbel bei gleicher Anfangsgeschwindigkeit v : 32 l/hm2 deutlich länger eine höhere Aktivität bei höhe- rer Anfangsaktivität, die aus der stärkeren Enzymbe- ladung resultiert.

Die Verstopfung ist, anders als bei der Vergleichsmem- bran, reversibel. Das heißt, daß mit zunehmender Überströmgeschwindigkeit v : 320 und 1000 l/hm2 die Polymermembran 10 wieder freigespült wird, wobei die Aktivität gemessen an Glucose dabei dann ebenfalls wieder ansteigt.

Bezuqszeichenliste 10 Polymermembran 11 Pore/Kanal 110 Porenwandung 12 Enzym 13 Porenlänge 14 Porenquerschnitt 15 Substrat 16 Eingang 17 Ausgang 18 19 Gemisch (Produkt/Substrat) 20 Mittel/korpuskulares Element 21 Produkt