Beschreibung

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Die Erfindung betrifft eine poröse, nichtpartikuläre und konvektiv permeable Membran gemäß dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1.

1.5 Wechselwirkungen zwischen festen und flüssigen Phasen auf der Grundlage von Adsorption, chemischer Veränderung durch Katalyse oder chemischer Veränderung durch Reaktion mit einem auf einer Matix befindlichen Reaktanden finden Anwen¬ dung in der adsorptiven Stofftrennung, der heterogenen

20 Katalyse und der Pestphasensynthese ("solid phase synthe- sis"). Zur Festphasensynthese wird auch die Anwendung auf Reaktionsmedien in Gestalt unlöslicher polymerer Reagentien ("polymeric reagents") gerechnet, und sie beruht darauf, daß ein Reaktand in an einem festen Träger fixierter Form 5 eingesetzt wird, während der oder die Reaktionspartner in flüssiger Phase vorliegen. Dabei kann das Reaktionsprodukt entweder von vornherein in der flüssigen Phase anfallen oder, insbesondere bei mehrstufigen Umsetzungen wie z.B. der Peptidsynthese nach Merrifield, in einem nachfolgenden 0 Schritt vom Träger abgelöst werden. Dadurch werden in be¬ stimmten Fällen gegenüber den entsprechenden Homogenreak¬ tionen Vorteile in bezug auf Ausbeute, Reinheit oder Ab- trennbarkeit des Produkts erreicht.

All diesen Heterogenprozessen ist gemeinsam, daß die mit einer Matrix erreichbare Raum-Zeit-Ausbeute im wesentlichen aus drei Größen resultiert:

a) der Kinetik des Elementarvorgangs an der Phasengrenze b) der Raumdichte an den zur Wechselwirkung befähigten Zen¬ tren c) der Kinetik des Stofftransports in der flüssigen Phase.

Während die Kinetik des Elementarvorgangs im wesentlichen von seinem Mechanismus, der Temperatur und der Konzentra¬ tion abhängt, werden die Raumdichte und die Kinetik des Stofftransports von Eigenschaften der festen Matrix be¬ stimmt.

Eine hohe Raumdichte an wirksamen Zentren und damit eine hohe Wirksamkeit setzt u.a. eine große spezifische Oberflä¬ che der festen Phase und damit entweder eine geringe Parti¬ kelgröße oder eine hohe Porosität voraus. Da dem Einsatz extrem feiner Feststoffe in der Praxis Grenzen gesetzt sind, werden im allgemeinen hochporöse Matrices verwendet, was sich jedoch nachteilig auf die Kinetik des Stofftranε- ports auswirkt, weil der Stofftransport bei den heute noch überwiegend eingesetzten partikulären Matrices praktisch ausschließlich diffusiv und daher langsam erfolgt (Diffusionslimitierung). Durchgehende Poren aufweisende nichtpartikuläre Matrices bieten demgegenüber die Möglich¬ keit zum überwiegend konvektiven Stofftransport unter der Einwirkung einer Druckdifferenz und damit zu einer mehr oder weniger wirksamen Ausschaltung der Diffusionslimitie¬ rung.

Das Hauptproblem bei der Umsetzung dieser an sich bekannten Sachverhalte zu einer technisch zielführenden Maßnahme be- steht bisher in dem Mangel an einer universell einsetzba¬ ren, nichtpartikulären Matrix, die eine ausreichende Wirk¬ samkeit für den betreffenden Prozeß mit der erforderlichen

5 hydraulischen Permeabilität verbindet. Dies kann am Bei¬ spiel der Oberflächenadsorption von Proteinen an mikropo¬ rösen Cellulosenitrat embranen (siehe Fig. 1) gezeigt wer¬ den, wobei eine Erhöhung der Adsorptionskapazität durch Er- höhung der spezifischen Oberfläche infolge der damit ver¬ bundenen Verminderung der Porengröße von einer drastischen Abnahme der hydraulischen Permeabilität begleitet ist. Die¬ ser Zusammenhang kann in dem Sinn verallgemeinert werden, daß nichtpartikuläre poröse Matrices, deren zur Wechselwir- kung befähigte Zentren sich ausschließlich auf der Oberflä¬ che der festen Phase befinden, nicht gleichzeitig hohe Wirksamkeit und hohe Permeabilität aufweisen können.

Stand der Technik

In der US-PS 4.663 163 (Hou) werden poröse, flächige Ad¬ sorptionsmedien vorwiegend für den Ionenaustausch beschrie¬ ben, die durch Fixierung und Vernetzung eines Copolymers von vorzugsweise Glycidylmethacrylat und einem ionischen Monomeren auf faserige Träger, vorzugsweise bestehend aus Cellulose, und anschließende Verarbeitung der Fasern zu ei¬ nem filzartigen Bahnmaterial hergestellt werden. Untersu¬ chungen an einem Handelsprodukt der Patentinhaberin von US- PS 4,663 163 (Zetaprep, Cuno Inc.), bei dem es sich nach einer Firmendruckεchrift um ein patentgemäßes Erzeugnis handelt, haben ergeben, daß dieses Handelsprodukt zwar eine hohe statische, aber nur eine sehr geringe dynamische Bindungskapazität für Proteine aufweist (siehe Vergleichs¬ beispiel 1) . Darüber hinaus ist der Firmendruckschrift zu entnehmen, daß das Produkt nicht über pH=ll eingesetzt werden soll und eine längere Einwirkungszeit von N/10 NaOH vermieden werden soll. Dies ist beispielsweise unzureichend für eine Entpyrogenisierung, die üblicherweise durch eine eine mehrstündige Einwirkung von 1-2 N NaOH erfolgt.

Unter der Bezeichnung "Acti-Disc" wird von der FMC-Corpora- tion eine Typenreihe von flächigen Ionenaustauschern ver-

trieben, die laut einer ^* Firmendruckschrift von FMC aus ei¬ ner mikroporösen Schicht besteht, die mit Ionenaustau¬ schergruppen derivatisierte Kieselsäure enthält. Auch die¬ ses Material zeigt mit steigender Beladungsgeschwindigkeit ein starkes Absinken der dynamischen Bindungskapazität (siehe Vergleichsbeispiel 1). Als Ursache dafür wird ange¬ nommen, daß das Adsorbens keine zusammenhängende, poröse Matrix bildet, sondern lediglich in einer porösen Matrix eingebettet ist, so daß dem konvektiven Stofftransport durch das Adsorbens (soweit ein solcher überhaupt stattfin¬ det), ein Bypass-Strom an den Kieselgelpartikelπ vorbei überlagert ist. Eine Anwendung von Laugen zur Entpyrogeni- sierung verbietet sich bei diesem Produkt von selbst wegen der Laugenlöslichkeit von Silikaten.

Ähnlich im Aufbau sind die unter der Bezeichnung "Bio-Rex chromatography membranes" vertriebene Produkte (Bio-Rad), bei denen sowohl statische als auch dynamische Bindungska¬ pazität für Proteine niedrig sind. Sie bestehen aus einem in die poröse PTFE-Membrane eingebetteten partikulären Io¬ nenaustauscher. Neben der oben erwähnten Erscheinung dürfte in diesem Fall ein Molekularsiebeffekt wirksam werden, weil die bei niedermolekularen Proteinen (z.B. Cytochrom C) ohnehin schon niedrige Bindung bei höheren molekularen Proteinen (z.B. Serumalbumin) auf extrem niedrige Werte absinkt. Da das untersuchte Adsorbens einen stark sauren Ionenaustauscher darstellte und die Tests bei pH=7 durchgeführt wurden, scheiden die unterschiedlichen iso¬ elektrischen Punkte der Testsubstanzen als Ursache für die- sen Befund jedenfalls aus. Darüber hinaus ist das gebundene niedermolekulare Protein praktisch nicht mehr eluierbar.

Ein weiteres Handelsprodukt (Memsep DEAE, Millipore, früher von Domnick Hunter vertrieben) zeigt eine niedrige stati- sehe Bindungskapazität, nicht jedoch das vorstehend er¬ wähnte Absinken der Kapazität unter dynamischen Bedingun¬ gen. Im Hinblick auf die Handhabbarkeit und Verarbeitbar-

keit besonders nachteilig ist der Umstand, daß das Produkt im feuchten Zustand nur eine minimale mechanische Festig¬ keit sowie im trockenen Zustand hohe Sprödigkeit aufweist. Einer Patentanmeldung des ursprünglichen Herstellers (DE-OS 38 04 430 AI, Le Minh Son), in der offensichtlich dieses Produkt beschrieben wird, ist zu entnehmen, daß es sich um eine mikroporöse Cellulosehydratmembrane handelt, die durch Kopplung von ionischen Gruppen an die Cellulose über Ether- brücken modifiziert ist.

In den Eigenschaften den Memsep-Membranen vergleichbar und laut Firmendruckschrift identisch aufgebaut sind auch zwei bereits lange Zeit auf dem Markt befindliche Produkte (DEAE Cellulosemembrane NA 45, CM Cellulosemembrane NA49, Schlei- eher & Schul1) .

Keines der auf dem Markt befindlichen Produkte erfüllt gleichzeitig die an ein nichtpartikuläres Adsorbens für technische Zwecke zu stellenden Anforderungen, nämlich gleichzeitig hohe dynamische Bindungskapazität, hohe Aus¬ beute bei der Elution, einwandfreie mechanische Handhabbar¬ keit und hohe chemische Beständigkeit.

Aufgabenstellung und Lösung

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, nichtpartikuläre, konvektiv permeable Matrices zur Verfügung zu stellen, die zu gezielten Wechselwirkungen mit Komponenten einer flüssi¬ gen Phase befähigt sind und die die anhand von Flächenad- sorbentien nach dem Stand der Technik dargelegten Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, eine auch unter dynamischen Bedingungen hohe Wirksamkeit mit hoher hydraulischer Permeabilität, hoher chemischer Be¬ ständigkeit und mit mechanischen Eigenschaften wie Feεtig- keit, geringe Sprödigkeit zu verbinden, die für die Hand¬ habbarkeit und Verarbeitbarkeit zu technisch einsetzbaren, größeren Einheiten erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Matrix der eingangs erwähnten Art gelöst mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren gemäß Anspruch 26 und einer Verwendung gemäß Anspruch 30.

Eine erfindungsgemäße Matrix kann so hergestellt werden, daß die innere und äußere Oberfläche eines eine Schwamm¬ struktur aufweisenden Trägers nach an sich zur Oberflächen¬ pfropfung bekannten Verfahren mit einer Schicht eines un- vernetzten oder geringfügig vernetzten Polymeren überzogen wird, das in dem flüssigen Medium weitgehend solvatisierbar ist. Bevorzugt liegen die einzelnen Polymerketten in einem entknäuelten Zustand vor, und das solvatisierte Polymer nimmt zwischen 2,5 und 97 % des Porenvolumens ein, vorzugs- weise zwischen 20 und 90 %. Die einzelnen Ketten des auf¬ gepfropften Polymeren tragen entweder an jeder Monomerein¬ heit, oder über ihre gesamte Länge statistisch verteilt die zur Wechselwirkung mit der oder den Komponenten der flüssi¬ gen Phase befähigten funktionellen Gruppen, Liganden bzw. Reaktanden, wobei entweder diese selbst die Solvatisierbar- keit durch die flüssige Phase bewirken, oder in statisti¬ scher Verteilung andere solvatisierbare Gruppen vorhanden sind. Für den Einsatz mit wäßrigen Medien werden dabei io¬ nische Gruppen oder solche besonders bevorzugt, die eine oder mehrere Hydroxylgruppen aufweisen.

Unlimitierte und tranεportlimitierte Kenngröße

Im folgenden werden für die Wechselwirkungen die Begriffe "unlimitierte Kenngröße" und "transportlimitierte Kenn¬ größe" eingeführt. Darunter wird die Wirkεamkeit einer Ma¬ trix für eine beεtimmte Wechεelwirkung ohne bzw. mit einer Tranεportlimitierung verεtanden. Die tranεportlimitierte Kenngröße ist in der Praxis am wichtigεten, weil εie die techniεch zumeiεt intereεεierende Raum-Zeit-Auεbeute be¬ stimmt. Doch ist auch die unlimitierte Kenngröße von Be-

deutung bei Anwendungen, in denen andere Kriterien als die Raum-Zeit-Ausbeute entscheidend sind.

Verfahrenstechnisch besteht der wesentliche Unterschied zwischen Adεorption und Feεtphaεenεynthese einerseits und Katalyse anderseits darin, daß sich bei ersteren die Matrix während deε Gebrauchε durch Sättigung mit dem Adsorbenden bzw. Verbrauch deε gebundenen Reaktanden erschöpft, während der Katalysator per definitionem unverändert bleibt. Dies ist bei der Definition der Kenngrößen zu berücksichtigen.

Allgemein ist die unlimitierte Kenngröße ein Maß für die Gesamtheit der zur Wechselwirkung befähigten Zentren, was auch ihre Zugänglichkeit für die beteiligten Komponenten vorausεetzt. Eine direkte analytiεche Beεtimmung, wie zum Beispiel die Titration der Ionenaustauεchkapazität, ist meist nur von beschränkter Aussagekraft. So besteht bei¬ spielweise kein direkter Zusammenhang zwischen der titrier¬ baren Kapazität und der Proteinbindung oder der katalyti- sehen Aktivität eines Ionenaustauschers. Die Kenngrößen müsεen daher im allgemeinen anhand der Wechεelwirkungen mit den intereεsierenden Komponenten bestimmt werden. Wenn die Wechselwirkung eine Adsorption ist, wird die Komponente auch mit "Zielsubstanz" oder "Zielkomponente" bezeichnet.

Bei Adsorbentien ist die unlimitierte Kenngröße die spezi¬ fische Gleichgewichtεbindungskapazität für die intereεεie- rende Komponente und ist beispielsweise auf die Masεe, daε Volumen oder gegebenenfallε die Fläche der Matrix bezogen. Da daε Adεorptionεgleichgewicht u.a. von der Konzentration der intereεεierenden Komponente abhängig iεt und die Ad- εorptionsisothermen der hier intereεεierenden Systeme meist vom Langmuir-Typ εind, nähert εich die Kapazität bei εtei- gender Konzentration einem Sättigungswert, und dieser wird unter der Bezeichnung "statiεche Bindungεkapazität" alε un¬ limitierte Kenngröße definiert. Die tranεportlimitierte Kenngröße eineε Adεorbenε iεt die "dynamiεche Bindungεkapa-

d zität", worunter derjenige Teil der statischen Bindungska¬ pazität verstanden wird, den das Adsorbens bei einer be¬ stimmten Strömungsgeschwindigkeit aufweist, bis die Konzen¬ tration im Ablauf auf einen bestimmten Teil der Ausgangs- konzentration angestiegen ist.

Bei Katalysatoren ist die unlimitierte Kenngröße die "spezifische katalytische Aktivität ohne Transportlimitie¬ rung". Sie ist meßtechnisch nicht direkt faßbar, weil Mes- sungen unter Gleichgewichtεbedingungen hier nicht möglich εind. Eε gibt jedoch Möglichkeiten, sie in bestimmten Fäl¬ len auf indirektem Weg zu ermitteln. Entsprechend ist die transportlimitierte Kenngröße als die "dynamische katalyti¬ sche Aktivität" definiert. Sie ist meßbar und ergibt sich direkt aus der pro Zeiteinheit bei einer bestimmten Strö- mungεgeεchwindigkeit gebildeten oder verbrauchten Menge ei- neε Reaktanden bzw. Produktes. Bei Erhöhung der Aus¬ tauschrate der flüssigen Phase steigt dieεe Größe an und nähert εich einem Grenzwert, der als "maximale katalytische Aktivität" des Katalyεatorε bezeichnet wird. Dieεe Größe hat den Vorteil, daß die Änderung der Zuεammenεetzung der flüεεigen Phase unter den genannten Bedingungen vernachläs¬ sigt werden kann. Insbesondere im Fall der enzymatischen Katalyse, bei der Effekte wie Produkt- und/oder Substratin- h-ibierung berücksichtigt werden müsεen, εind εomit defi¬ nierte Bedingungen gewährleiεtet.

Bei Matriceε für die Feεtphaεenεyntheεe kann die Charakte- riεierung hinsichtlich der unlimitierten Kenngröße analog wie bei den Adsorbentien erfolgen, nämlich durch die Auf¬ nahmefähigkeit für den Reaktanden, wobei hinεichtlich der transportlimitierten Kenngröße im konkreten Fall nach Zweckmäßigkeitsgeεichtspunkten entschieden werden muß. Bei vollständig verlaufenden Reaktionen kann in Analogie zu den Adεorbentien erfahren werden, indem beiεpielεweiεe der An- εtieg der Konzentration deε nicht umgesetzten Reaktions¬ partners in der flüsεigen Phaεe bei einer beεtimmten Strö-

mungsgeschwindigkeit erfaßt wird. Bei Gleichgewichtsreak¬ tionen iεt es zweckmäßiger, in Anlehnung an die Bestimmung der maximalen katalytischen Aktivität die maximale Umset¬ zungsrate des Reaktionspartners bei steigender Aus- tauschrate der flüssigen Phase zugrundezulegen.

Die Wechselwirkungen und die funktionellen Gruppen, Ligan¬ den bzw. Reaktanden

Die Wechselwirkungen der erfindungεgemäßen Matrices und deren funktioneile Gruppen, Liganden und Reaktanden sind in der Literatur für Matrices des Standes der Technik be¬ schrieben und somit an εich bekannt.

Im Bereich der Adεorption sind die für die Reinigung und Anreicherung von Proteinen durch Adsorption in Frage kom¬ menden Wechselwirkungen und die dafür geeigneten Gruppen oder Liganden am vielfältigsten. Unter Adεorption wird da¬ bei generell eine reverεible Bindung der Komponente an die Matrix verεtanden. Bei der überwiegenden Anzahl der nach¬ folgend zuεammengefaßten Wechselwirkungen handelt es εich um phyεikaliεche Vorgänge, alεo Vorgänge., die ohne Knüpfung kovalenter Bindungen ablaufen. Die einzige Auεnahme bildet dabei die "kovalente Chromatographie", die auf Chemieεorp- tion beruht.

Bei der Ionenauεtauscherchromatographie wird die unter- εchiedliche elektriεche Ladung der Proteine bei unter- εchiedlichen pH-Werten zu ihrer Trennung ausgenutzt, bei der "hydrophoben Chromatographie" ihre unterschiedlich fe- εte Bindung an hydrophobe Gruppen. Die Ionenauεtauεcher werden in εtark εaure, εchwach εaure, εtark baεiεche und εchwach baεiεche eingeteilt, wobei typische funktioneile Gruppen in der angegebenen Reihenfolge Sulfonεäure-, Car- boxyl-, quarternäre Ammonium- und tertiäre Aminogruppen sind. Typische hydrophobe Liganden εind Alkylreste mit 4 bis 8 Kohlenstoffatomen und Phenylreεte. Ähnlich in der An-

l wendung wie die hydrophobe Chromatographie, jedoch selekti¬ ver ist die "thiophile Chromatographie", durch die Proteine getrennt werden können, die unterschiedliche Affinität zu Liganden aufweisen, die mehrere Schwefelatome in Form von Thioether- und Sulfongruppen enthalten. Relativ selektiv sind auch weitere Mechanismen, die als IMAC ("immobilized metal affinity chromatography") und Farbstoffligandenchro- matographie bekannt sind. Im ersten Fall werden Nebenvalen¬ zen von Schwermetallen eingesetzt, die an Chelatliganden gebunden sind, beispielεweise an Iminodiesεigεäurereεte, im anderen Fall beεtimmte Farbstoffmoleküle in immobilisierter Form für die reversible Proteinverbindung. Ein typischer Farbstoffligand ist der nach dem Colour-Index als "Reactive Blue 2" bezeichnete blaue Anthrachinon-Reaktivfarbstoff.

Zum Unterschied von den bisher erwähnten Adsorptionεmecha- niεmen, die auf dem Einεatz von εynthetiεchen Liganden be¬ ruhen, verwendet man bei der klassiεchen Äffinitätεchroma- tographie immobiliεierte natürliche Liganden, wie z.B. En- zyminhibatoren, Enzymεubεtrate oder Coenzyme zur Trennung der entεprechenden Enzyme. Auf diesem Weg wird in der Regel die höchste Spezifität der Trennung erreicht. Dies gilt auch für die Immunadsorption, wobei wahlweiεe entweder An- tigen oder Antikörper immobiliεiert und zur Bindung des je- weiligen Pendants verwendet werden. Zur Gruppe der natürli¬ chen Liganden gehören auch Lectine zur Bindung von Glyco- proteiden sowie-, Protein A bzw. Protein G zur Bindung vom Immunglobulinen.

Der bereits erwähnte und auf dem Mechaniεmuε der Chemie¬ sorption beruhende Ausnahmefall, der "kovalenten Chromato¬ graphie" erfolgt unter Knüpfung spezifischer und wieder lösbarer kovalente Bindungen. Beispiele dafür sind der Phe- nylboronatligand für die Bindung von Glycoproteiden und die Sulfhydrylgruppe zur Bindung über reduktiv spaltbare Disul- fidbrücken.

II Einige der genannten Liganden kommen auch für andere Anwen¬ dungen als die Proteintrennung in Frage, so die Chelatli- - ganden auch für die ^' Abtrennung von Schwermetallen. Ionen¬ austauschergruppen können selbstverεtändlicn für beliebige Ionenauεtauschprozesse eingesetzt werden, darüber hinaus jedoch auch für Säure-Basen-Katalysen. So kann eine erfin¬ dungsgemäße Matrix mit Sulfonsäuregruppen in der H-Form für die εaure Katalyεe eingeεetzt werden. Praktiεche Beispiele für die ein derartiger erfindungεgemäßer Katalysator in Frage kommt, ist die Veresterung von Alkoholen mit Carbon¬ säuren oder Hydrolyse von Estern. Weitere erfindungsgemäße Katalysatoren sind immobilisierte Enzyme.

Im Falle der erfindungsgemäßen Matrices für die Festphasen- syntheεe, die biεher noch nicht die große techniεche Bedeu¬ tung wie die Adεorption und die heterogene Katalyεe hat, εind alε Beiεpiele für immobiliεierte Reaktanden oxidier- bzw. reduzierbare Subεtanzen wie die Hydrochinone bzw. die entεprechenden Chinone zu nennen, die die Komponenten der flüεεigen Phaεe reduzieren oder oxidieren können und deε- halb auch alε "Elektronenauεtauεcher" bezeichnet werden.

Zuεätzlich wird noch beεonderε auf die nachfolgenden Lite- raturεtellen verwieεen:

a) Soweit die adεorptive Stofftrennung die Trennung und Reinigung von biolngiεchen Subεtanzen und insbesondere von Proteinen betrifft, wird auf J.-C. Janson und L. Ry- den verwieεen (J.-C. Janson, L. Ryden, Herausg; "Protein Purification", VCH Publiεherε Inc., New York, VCH Ver- lagεgesellεchaft mbH, Weinheim, VCH Publiεherε Ltd. , Cambridge (19989)), wo theoretiεche und praktiεche Grundlagen εowie die Anwendung von hydrophoben Liganden, thiophilen Liganden und Farbεtoffliganden, εowie der Einsatz der IMAC ("immobilized metal affinity chromato- graphy") , der kovalenten Chromatographie und der Affini¬ tätschromatographie beεchrieben werden. Zum Stand der

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Technik auf dem Gebiet der Ionenaustauscher- und Affini- tätschromatographie gibt die US-PS 4 663 163 einen über- • blick. Ein weiterer wichtiger Anwendungsfall der erfin¬ dungsgemäßen Adεorbentien, nämlich die Bindung von Schwermetallen durch immobilisierte Komplexbildner, ist beispielεweise bei S. K Sahni, J. Reedijk ("Coordination chemistry of chelating reεins and ion exchangers", Coor¬ dination Chemistry Reviews 59, 1-139 (1984)) zusammen- faεεend referiert.

b) Als Übersichtsliteratur für die heterogene Katalyse durch immobilisierte Enzyme ist I. Chibata; "Immobilized Enzymes" (Kodanεha Ltd. Tokio, John Wiley & Sons, New York-London-Sodney-Toronto, 1978) zu nennen. Ein Bei- spiel für die erfindungsgemäße Anwendung ist die Kata¬ lyse mit Ionenaustauεchern in der H-Form (εiehe Beiεpiel 9) und mit einem immobiliεierten Enzym (εiehe Beiεpiel 7).

c) Geeignete Literaturhinweiεe für daε Gebiet der Feεtpha- εenεyntheεe und der nichtenzymatiεchen Katalyεe finden εich bei N.K. Mathur, R.E. Williamε ("Organic Syntheεeε using polymeric εupportε, polymeric reagentε and polyme- ric catalyεt", J. Macromol. Sci.-Rev. Macromol. Chem. , C15(l), 117-142 (1976)).

Eine Auεgeεtaltung der Erfindung, bei der εynergiεtiεche Effekte ioniεcher Gruppen auεgenutzt werden, beεteht darin, daß die elektroεtatiεche Abεtoßung gleichεinnig geladener Komponenten zur Erhöhung der Spezifität der Wechεelwirkung auεgenutzt wird. Dieε iεt dann von Bedeutung, wenn die die Wechεelwirkung hervorrufenden funktioneilen Gruppen und/oder Liganden oder Reaktanden dieεe Wechεelwirkung mit mehreren Komponenten der flüssigen Phase ausüben können, jedoch nur eine davon bevorzugt werden soll. Unterscheiden εich dieεe Komponenten in ihrer elektriεchen Ladung, εo können ioniεche Gruppen, die die gleiche Ladung aufweiεen

wie die Komponente, deren Wechselwirkung vermieden werden soll, deren Teilnahme an dem Prozeß durch elektrostatische Abstoßung verhindern oder einschränken. Ein Beispiel dafür sind Adsorbentien, die eine Kombination von Farbstoffligan- den mit sauren Gruppen (Carboxyl- oder Sulfonsäuregruppen) aufweiεt, wodurch die relativ εchwache negative Ladung der Farbεtoffliganden verεtärkt wird und beεtimmte Enzyme, die grundεätzlich zur Wechselwirkung mit dem Liganden befähigt sind, jedoch bei dem angewandten pH-Wert ebenfalls eine ne- gative Ladung aufweiεen, εtärker abgeεtoßen und daher in geringem Auεmaß gebunden werden.

Die OH-haltigen Gruppen werden dann bevorzugt, wenn einer- seits eine elektroneutrale, durch Wasεer εolvatisierbare Matrix erforderlich ist, d.h. wenn eine ionische Adsorption den beabsichtigten Prozeß stören würde, oder wenn über Was- εerεtoffbrücken eine gewiεse "Vernetzung" erreicht werden soll. In einer Auεführungεform der Erfindung wwerden εie zur Herabsetzung der Ligandendichte bei Ionenaustauschern zur Trennung von Proteinen eingesetzt. Es wurde nämlich überraεchenderweiεe feεtgeεtellt, daß bei der Bindung von Proteinen auε Löεungen, die außerdem noch Peptide enthal¬ ten, die Coadεorption der Peptide durch eine verminderte Dichte an ionischen Gruppen herabgesetzt werden kann. Dies ist nicht nur im Intereεεe deε zu erreichenden Reinigungε- effekteε bedeutεam, εondern steigert auch die Bindungεkapa¬ zität für die Proteine auε peptidhaltigen Löεungen. In die- εer Auεgeεtaltung der Erfindung wird ein molareε Verhältnis von ionischen Gruppen zu nichtionischen Gruppen im Bereich von 1:3 bis 3:1 angewandt, wobei der Bereich von 1:1 bis 1:2 bevorzugt wird.

Eine Herabsetzung der Dichte funktioneller Gruppen und/oder Liganden oder Reaktanden wird in einer Ausführungεform der Erfindung auch dann durchgeführt, wenn dieεe eine auεge- prägte Assoziationεtendenz aufweiεen. Dieε iεt beiεpielε¬ weiεe bei Adεorbentien mit hydrophoben Liganden, thiophilen

/*. Liganden und Farbstoffliganden der Fall. In diesen Fällen würde eine zu hohe Ligandendichte zur gegenseitigen Blok- kierung der assoziierten Liganden führen, so daß sie für die Wechselwirkung mit den Komponenten nicht verfügbar sind. In den Fällen, in denen dadurch keine unerwünschte ionische Adsorption bewirkt werden kann, werden zur Herab¬ setzung der Ligandendichte ionische Gruppen bevorzugt, die durch ihre gegenseitige Abstoßung der Asεoziationεtendenz entgegenwirken. Die Herabεetzung der Ligandendichte kann noch unterεtützt werden durch eine Vernetzung des auf¬ gepfropften Polymeren, wodurch die Kettenbeweglichkeit her¬ abgesetzt wird, so daß die Wahεcheinlichkeit des Zusammen¬ treffenε der assoziierten Liganden herabgesetzt wird.

Der Träger

Die erfindungsgemäße poröεe Matrix hat einen nichtpartiku¬ lären Aufbau und εtellt εomit im Unterεchied zu partikulä¬ ren Matriceε (diese sind meist eine Schüttung von Einzel- partikeln) ein zuεammenhängendeε Gebilde dar, bei dem der konvektive Stofftranεport auεεchließlich durch die Matrix¬ poren erfolgen kann, in denen εich die zur Wechεelwirkung befähigten Zentren befinden. Eε ist so kein Bypasε-Strom an den Poren vorbei möglich. Ein zuεammenhängendeε Gebilde, in das eine partikuläre Matrix eingebettet ist, würde diese Anforderungen z.B. nicht erfüllen.

Erfindungsgemäß weist die Matrix einen Träger mit Schwamm- εtruktur auf. Dieεe Struktur hat beεondere Anwendungεvor- teile, denn eε wurde überraschenderweise festgestellt, daß der Effekt der Diffusionslimitierung bei schwammartigen Strukturen beεonderε auεgeprägt unterdrückt wird. Unter "schwammartig ^1' werden Strukturen verstanden, die aus einem zuεammenhängenden räumlichen Syεtem von Poren beεtehen und daher im Verhältniε zu ihrem Strömungεwiderεtand eine be¬ εonderε hohe εpezifiεche Oberfläche aufweiεen. Langfaεerige poröεe Strukturen, wie z.B. Vlieεe oder die leicht in gröε-

i s- seren Schichtdicken herstellbaren Filze weisen zwar wegen ihrer niedrigen Herstellkosten und ihrer meist hohen mecha¬ nischen Festigkeit scheinbare Vorteile auf, ermöglichen aber allenfalls eine hohe unlimitierte, keinesfalls jedoch eine hohe transportlimitierte Kenngröße.

Als Träger der erfindungsgemäßen Matrix können je nach be¬ absichtigter Schichtdicke offenporige Schäume oder mikropo¬ röse Membranen eingesetzt werden.

Im Falle der offenporigen Schäume werden die sogenannten Hartschäume bevorzugt, die technisch meist auf Polyurethan¬ basis hergestellt werden und die sehr hohe Schichtdicken ermöglichen, etwa im Bereich zwischen 0.5 und 100 mm, vor- zugsweiεe zwiεchen 5 und 50 mm. Offenzellige Hartεchaum- stoffe können beispielεweiεe durch Verεchäumen von MDI (4,4'-Diiεocynato-diphenylmethan) und einem Polyol mit dem bei der Reaktion entstehenden Kohlendioxid hergestellt wer¬ den. Die Herstellung praktisch völlig offenporiger Schäume iεt beiεpielεweiεe bei R. Vieweg, A. Höchtlen ("Kunεtεtoff- Handbuch", Band VII, Polyurethane, Carl Hanεer Verlag, Mün¬ chen 1966) beεchrieben. Eε εind offenzellige Schäume mit einem Porenvolumen von 80 biε 98 % einεetzbar, waε etwa ei¬ nem Raumgewicht von 20 biε 200 kg/m ³ entεpricht. Bevorzugt werden Schäume mit einem Raumgewicht von 50 biε 100 kg/m ³ .

Mikroporöεe Membranen (nachfolgend kurz: "Membranen") kom¬ men für die Herεtellung beεonderε dünner Matrices in Frage, sofern sie die erforderliche Schwammεtruktur aufweiεen. Die typiεche Schichtdicke der verwendbaren mikroporöεen Membra¬ nen liegt im Bereich zwiεchen 50 und 500 μm, vorzugεweiεe zwiεchen 100 und 250 μm. Eε εind mittlere Porengrößen im Bereich zwiεchen 0.05 und 15 μm einεetzbar, vorzugεweiεe 0.4 biε 10 μm. Sie werden überwiegend nach εogenannten Pha- εeninverεionεverfahren auε Polymerlöεungen hergeεtellt, wo¬ bei man entweder Löεungεmittel verdunεtet oder eine Fällung in einem Fällmittel durchführt. Derartige Membranen können

lt> eben oder auch zylindrisch ausgebildet sein. Zylindrische Membranen werden je nach der Größe des Zylinderdurchmesserε als Membranhohlfasern, Membrankapillaren oder Membran¬ schläuche bezeichnet, wobei diese Begriffe in der angegebe- nen Reihenfolge für Zylinderaußendurchmesεer von etwa 0.2 bis 1, 1 bis 5 und 5 bis 25 mm gebraucht werden. Ebene Mem¬ branen können auch in Form von Stapeln eingesetzt werden, alεo mehrere Membranen hintereinander zur Erhöhung der Schichtdicke. Dies bietet sich insbeεondere dann an, wenn kein Schaumεtoff der gewünεchten Porengröße und/oder aus dem gewünschten Werkstoff zur Verfügung εteht.

Eine Auεführungεform der erfindungεgemäßen Matrix beεteht in deren Annäherung an die Geometrie herkömmlicher Säulen, wobei die für erfindungεgemäße Matrices typische günεtige Kinetik erhalten bleibt. Man erreicht dieε mit relativ großen Schichtdicken, alεo unter Einεatz von Membranεtapeln bzw. auch von geεchäumten Materialien, wenn alε Träger ein offenporiger Schaum eingeεetzt wird.

Große Schichtdicken können auch im Fall der Adεorption zur Erreichung einer hohen Geεamtbindungεkapazität einer Ein¬ heit erforderlich εein, z.B. wenn Medien mit einer relata- tiv hohen Konzentration an Zielsubstanz aufzuarbeiten sind, oder für die Anwendung der Elutionschromatographie, alεo der Chromatographie im engeren Sinne. Dabei wird daε Adεor- benε nur zu einem geringen Teil εeiner Kapazität, etwa in der Größenordnung von 10 %, mit dem zu trennenden Subεtanz- gemiεch beladen und mit einem geeigneten Elutionsmedium in Einzelpeaks aufgetrennt. Dieεeε analytiεch wichtige Trenn¬ verfahren kommt derzeit auε wirtεchaftlichen Gründen tech- niεch nur vereinzelt für die Reinigung extrem koεtspieliger Substanzen zur Anwendung, wenn kein anderes Verfahren zum Ziel führt. Es ist ein beεonderer Aεpekt der erfindungεge- maß eingeεetzten Adεorbentien, daß εie auf Grund ihrer ho¬ hen dynamiεchen Kapazität und der dadurch ermöglichten kur¬ zen Zykluεzeiten zu einer weεentlichen Verbilligung der

Elutionschromatographie und damit zur Erweiterung des An¬ wendungsbereichs dieses extrem hochauflösenden Trennverfah¬ rens beitragen.

Extrem niedrige Schichtdicken der Matrices, die durch die Verwendung mikroporöser Membranen als Träger erreicht wer¬ den, können im Fall der Adsorbentien dann eingeεetzt wer¬ den, wenn die zu adεorbierende Komponente in der flüεεigen Phase in εehr geringer Konzentration in Relation zur Bin- dungεkapazität der Matrix vorliegt, εo daß bezogen auf die Flächeneinheit der Matrix biε zur Erschöpfung der Bindungs¬ kapazität ein großes Volumen der flüεεigen Phaεe verarbei¬ tet werden kann. Ebenfallε geringe Schichtdicken der Matrix εind dann erforderlich, wenn eine beεonders niedrige Ver- weilzeit der Komponenten innerhalb der Poren der Matrix er¬ reicht werden soll. Dies ist dann der Fall, wenn die unter- εchiedliche Kinetik verεchiedener möglicher Wechεelwirkun- gen zur Bevorzugung der schneller ablaufenden Vorgänge aus¬ genutzt werden soll. Dies ist bei den erfindungsgemäßen Ma- triceε deεhalb möglich, weil durch Ausschaltung der Diffu¬ sionslimitierung die Kinetik deε Elementarvorgangs der Wechselwirkung für den Gesamtprozeß geschwindigkeitεbeεtim- mend iεt. Die Auεnutzung dieεes Effektes ist Gegenεtand ei¬ ner Parallelanmeldung.

Einεetzbare Membranmaterialien für den Träger εind εowohl halbεynthetiεche Polymere wie z.B. Celluloεenitrat, Cellu- loεeacetat und Celluloεehydrat, alε auch vollεynthetiεche Polymere wie z.B. Polyamide, z.B. Nylon 6 und Nylon 6,6, Polyεulfon, Polyätherεulfon, Polyvinylidenfluorid, Poly- acrylnitril, verεchiedenen Copolymere, z.B. PVC-Acrylni- tril-Copolymer, Polyvinylidenfluorid, Polypropylen und Te- trafluorethylen.

Im Einzelfall bevorzugte Membranmaterialien richten sich nach den Bedürfnisεen deε vorgeεehenen Anwendungεfallε, wo¬ bei εowohl die chemiεche und thermiεche Beanεpruchung unter

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Betriebs- und Reinigungεbedingungen eine Rolle spielen, als auch die angestrebte hydraulische Permeabilität. Die Aus¬ wahlmöglichkeiten sind dabei insofern eingeschränkt, als im grobporigen Bereich (d.h. oberhalb einer nominellen Poren- große von etwa 5 μm) , nur Membranen aus den erwähnten halbsynthetiεchen Cellulosederivaten zu Verfügung stehen, deren chemische Beständigkeit insbesondere gegenüber extre¬ men pH-Werten Einschränkungen aufweiεt. Wenn grobporige Ausgangsmembranen verwendet werden sollen, wird aus dieser Gruppe Cellulosehydrat bevorzugt, wobei Membranen aus ver¬ netztem Cellulosehydrat beεonderε bevorzugt εind. Aber auch unvernetzte Celluloεehydratmembranen können mit Erfolg als Träger eingesetzt werden.

Die hydraulische Permeabilität der Membranen wird durch die Bepfropfung beeinträchtigt und kann auf einen Bruchteil des Ausgangεwerteε abεinken, εo daß eine hohe Permeabilität der Matrix nur mit einem beεonderε grobporigen Träger erreich¬ bar iεt. Hiefür wird der nominelle Porengrößenbereich zwi- εchen 3 und 10 μm bevorzugt, beεonderε bevorzugt der Be¬ reich um 5 μm. Eine beεondere Bedeutung haben erfindungεge- mäße Matriceε hoher hydrauliεcher Permeabilität dann, wenn die erwähnten kinetiεchen Unterεchiede verεchiedener mögli¬ cher Wechεelwikrungen zur Lenkung deε Prozeεεeε auεgenutzt werden εollen. Dabei ermöglicht eε eine hohe Permeabilität der Matrix, die erforderlichen kurzen Verweilzeiten ohne Anwendung extremer hydrauliεcher Druckunterεchiede zu er¬ reichen.

In manchen Anwendungεfällen der erfindungεgemäßen Matrices sind Membranen höchster chemischer Beständigkeit erforder¬ lich. Beispiele dafür sind Membranen mit chelatbildenden Liganden zur Schwermetalladεorption, die mit εtarken Säuren (0.1 biε 1 N Mineralεäuren) regeneriert werden müεεen und Katalyεatoren mit aggreεεiv wirkenden funktionellen Grup¬ pen. So werden εtark εaure Katalysatoren, bei deren Her¬ stellung eine säureempfindliche Baεiεmembrane wie z.B. aus

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Polyamid verwendet wurde, bei höheren Temperaturen schnell durch die Einwirkung der immobilisierten Sulfonsäuregruppen zerstört. Die bevorzugten Membranpolymere für diese Fälle sind daher Polyvinylidenfluorid, Polysulfon und Polypropy- len.

Die aufgepfropfte Polymerschicht

Die erfindungsgemäße Matrix weist auf dem Träger eine auf- gepfropfte Polymerschicht auf. Wesentlich ist dabei, daß die Pfropfung im wesentlichen ausεchließlich auf der inne¬ ren und äußeren Oberfläche des Trägers erfolgt nicht jedoch in der inneren Masse (Bulk) des Trägers. Dadurch iεt es möglich, eine hohe Dichte des die funktionellen Gruppen Li- ganden bzw. Reaktanden tragenden Pfropfpolymeren an der Oberfläche zu erreichen, wo die Zugänglichkeit durch die Moleküle der Komponente gewährleistet ist. Wird hingegen eines der üblichen Pfropfverfahren ohne besondere Maßnahmen zur Vermeidung der Pfropfung im Bulk des Trägers angewandt, εo werden deεεen chemiεche und mechaniεchen Eigenεchaften εtark beeinträchtigt. Insbeεondere bei der Einführung von ioniεchen Gruppen wird dabei die Wasεerquellbarkeit deε Trägerε draεtiεch erhöht, bzw. dieεer kann im Extremfall εogar waεserlöεlich werden. Bei dieεen Pfropfverfahren muß demnach der Pfropfgrad unterhalb jener Grenze gehalten wer¬ den, wo dieεer Effekt zur Unbrauchbarkeit deε Produktes führt und dementsprechend iεt auch daε an der Oberfläche für die Bindung zur Verfügung εtehende Pfropfpolymer in εeiner Dichte beεchränkt.

In bezug auf Träger auf Celluloεebaεiε wurde überraεchen- derweiεe feεtgeεtellt, daß εich daε Quellverhalten erfin- dungεgemäßer Membranionenauεtauεcher auf Celluloεebaεiε inεofern von denen nach dem Stand der Technik unterεchei- det, alε keinerlei Zunahme der Waεserquellbarkeit gegenüber den ungepfropften Celluloεehydrat-Auεgangεmembranen auf¬ tritt. Die Beεtändigkeit gegenüber starken Alkalien ist so-

2.0 gar noch erhöht, so daß es möglich ist, derartige Produkte durch eine mehrstündige Behandlung mit 2 N NaOH zu entpyro- genisieren.

Die aufgepfropfte Polymerschicht weist erfindungsgemäß eine auεreichende Anzahl von Monomereinheiten mit durch die flüssige Phase solvatisierbaren funktioneilen Gruppen auf. Im nicht aufgepfropften Zustand, also ohne Bindung an eine feste Phase, wäre das Polymer, wenn es unvernetzt ist, in der flüsεigen Phase entweder vollständig löslich oder es würde, sofern eε vernetzt iεt, im Kontakt mit der flüεεigen Phaεe ein hochgradig gequollenes Gel ohne jegliche mechani¬ sche Festigkeit darstellen.

In einer Ausführungεform der Erfindung trägt die auf¬ gepfropfte Polymerεchicht eine einzige Art von funktionei¬ len Gruppen. Dieεe Auεführungsform wird dann bevorzugt, wenn die für die beabsichtigten Wechselwirkungen erforder¬ lichen funktionellen Gruppen die Solvatisierung durch die beabεichtigte flüεεige Phaεe bewirken, und εie außerdem in möglichεt hoher Dichte vorhanden εein εollen. Dieεe Voraus¬ setzungen sind vorwiegend bei Ionenauεtauεchern für die ad¬ εorptive Stofftrennung und die heterogene Katalyεe εowie bei Chelatauεtauschern für IMAC oder die Schwermetallbin- düng gegeben.

In anderen Ausführungsformen der Erfindung weist die auf¬ gepfropfte Polymerεchicht zwei oder mehrere, vorzugsweise nicht mehr als drei unterschiedliche funktioneile Gruppen auf, wobei ihre Verteilung innerhalb der aufgepfropften Po¬ lymerketten vorzugsweiεe εtatiεtiεch iεt. Daε heißt mit an¬ deren Worten, daß die aufgepfropfte Polymerεchicht nicht auε Einzelketten mit einheitlichen funktionellen Gruppen oder Ketten mit größeren Anhäufungen identiεcher funktio- neiler Gruppen nach Art von Blockcopolymeren beεteht.

In einer dieser letztgenannten Ausführurigsformen ist eine Art von Monomereinheiten Träger der funktionellen Gruppen zur Solvatisierungen der Polymerschicht und eine oder meh¬ rere andere Arten von Monomereinheiten Träger der funktio- nellen Gruppen und/oder Liganden oder Reaktanden zum Her¬ vorrufen der Wechselwirkung. Diese Ausführungsform wird dann bevorzugt, wenn die funktionellen Gruppen und/oder Li¬ ganden oder Reaktanden zum Hervorrufen der Wechselwirkung entweder von sich aus nicht die Solvatisierung der Polymer- εchicht durch die flüεεigen Phaεen bewirken und/oder deren Dichte herabgeεetzt werden εoll.

Im Falle von polaren, inεbesondere von wäßrigen flüssigen Phasen werden als solvatisierbare funktioneile Gruppen io- nische Gruppen oder εolche Gruppen bevorzugt, die eine oder mehrere Hydroxylgruppen enthalten. Unter den ioniεchen Gruppen werden die εtark εauren oder εtark baεiεchen, alεo Sulfonεäure- bzw. quaternäre Ammoniumgruppen beεondereε be¬ vorzugt, weil εie über einen weiten pH-Bereich einεetzbar sind. Insbesondere werden ionische Gruppen dann eingesetzt, wenn εie einen εynergiεtischen Effekt in bezug auf die be¬ absichtigte Wechselwirkung auεüben können. Dieε iεt bei ei¬ ner Auεführungεform der Erfindung der Fall, bei der quar- ternäre Ammoniumgruppen und zur kovalenten Bindung von Pro- t-einen befähigte Gruppen wie z.B. Expoxidgruppen nebenein¬ ander vorhanden εind. Dadurch iεt eε möglich, daß daε Pro¬ tein zuerεt in einem raεch ablaufenden Vorgang ioniεch ge¬ bunden und damit auf der Matrix angereichert und anεchlies- εend in einer Zeitreaktion über die Expoxidgruppen konva- lent gebunden wird. Auf dieεe Weiεe können beispielsweiεe Enzyme aber auch andere Liganden zur Herεtellung erfin- dungεgemäßer Matriceε gebunden werden.

In einer Auεführungεform der Erfindung, die Matriceε für den Einεatz mit unpolaren flüεεigen Phaεen betrifft, werden alε die Solvatation bewirkende funktioneile Gruppen diesel- ben Alkyl- und Phenylreεte eingesetzt, wie sie im Zusammen-

hang mit der hydrophoben Chromatographie genannt worden sind. Ihre Funktion ist jedoch hier eine andere, weil sie in erster Linie mit dem Lösungεmittel und nicht mit der Komponente in Wechεelwirkung treten. Derartige Matrices kommen in erster Linie für die heterogene Katalyse oder die Festphasenεyntheεe in nichtwäßrigen Syεtemen in Frage. Die die Wechεelwirkung hervorrufenden funktionellen Gruppen oder Reaktanden können dabei je nach Verwendungεzeck belie¬ big gewählt werden.

Verfahren zur Durchführung der Oberflächenpfropfung εind nicht eigentlicher Gegenεtand der Erfindung. Einzelhei¬ ten hierzu εind in drei vorangegangenen Anmeldungen be- εchrieben, die hiermit zum Teil der Offenbarung erklärt werden:

1. Euro/PCT-Anmeldung mit der Veröffentlichungεnummer WO 91/03310; Aktenzeichen EPA 90913 482.7

(Arbeitεbezeichnung "Pfropfung nach Chlorierung")

2. Euro/PCT-Anmeldung mit der Veröffentlichungεnummer WO 71/03506;

(Arbeitεbezeichnung "Pfropfung mit Tetra")

3. Deutεche Patentanmeldung P 41 07 171.9

(Arbeitεbezeichnung "Pfropfung nach Filmbildung")

Die beiden erstgenannten Anmeldungen betreffen die Pfrop¬ fung auf bestimmten εtickεtoffhaltigen Materialien, darun- ter Polyamiden, während daε letztgenannte Verfahren prak- tiεch keine Einεchränkung auf ein beεtimmteε Membranmate¬ rial aufweiεt und daher beεonderε bevorzugt wird. Daε erεte Verfahren beruht darauf, daß an dem stickstoffhaltigen Po¬ lymer ein Wasεerεtoffatom am Stickεtoff durch ein Chloratom erεetzt wird, wodurch unter der Einwirkung eineε Redukti- onεmittelε am Stickεtoff ein Radikal gebildet wird, waε in Gegenwart von geeigneten Monomeren zur Pfropfung am Stick-

Z3 stoff führt. Das zweite Verfahren wird ebenfalls unter Mit¬ wirkung eines Reduktionsmittels ausgeführt, doch unter¬ bleibt in diesem Fall die Chlorierung des N-haltigen Poly¬ meren, und stattdeεεen wird während der Pfropfung Tetra- chlorkohlenεtoff oder beεtimmte andere organiεche Halogen¬ verbindungen zugeεetzt, worauf nach einem unbekannten Me¬ chanismus ebenfalls eine Pfropfung erfolgt. Durch besondere Maßnahmen wird bei den beiden Verfahren erreicht, daß eine Pfropfung im Bulk deε Polymeren weitgehend unterdrückt wird. Bei dem dritten Verfahren εind beliebige Polymere einεetzbar, und eε wird zunächεt beiεpielεwweiεe eine dünne Schicht eineε N-chlorierten Polyamidε aufgebracht, worauf die Pfropfung analog wie bei den anderen Verfahren in Ge¬ genwart eineε Reduktionεmittelε erfolgt. Da daε Trägerpoly- mer unter dieεen Bedingungen ir er Regel keine Tendenz zur Pfropfung aufweist, ist es auf diese Weise am εicherεten möglich, die Bulk-Pfropfung zu vermeiden und eine reine Oberflächenpfropfung zu erreichen.

Der entscheidende Vorteil der oberflächengepfropften Poly¬ merschicht alε Sitz der funktionellen Gruppen bzw. Liganden gegenüber einer direkten Fixierung der funktionellen Grup¬ pen bzw. Liganden auf der Oberfläche deε Trägerε beεteht darin, daß dadurch nicht nur die Oberfläche deε Trägerε für die Wechεelwirkung verfügbar wird, εondern daε Volumen, daε gegeben iεt alε Produkt von innerer Oberfläche deε Trägerε und der linearen Auεdehnung der aufgepfropften Polymerkette unter den Bedingungen der Wechselwirkung. Demzufolge wird beispielεweise im Falle der Adsorption die maximale stati- εche Kapazität nicht nach Anlagerung einer monomolekularen Schicht der Zielεubstanz auf der inneren Oberfläche er¬ reicht, sondern bei einem Vielfachen davon.

Gegenüber dem in der US-PS 4 639 513 (Hou) beεchriebenen Verfahren der Aufbringung eineε ioniεchen Polymeren auf eine Trägermatrix über Epoxidgruppen dieεer Matrix bietet die erfindungεgemäße Oberflächenpfropfung den Vorteil, daß

21 ein weitgehend unvernetztes Propfpolymer erhalten werden kann, aber auch eine Vernetzung durch ein bifunktionelleε Comonomer möglich ist, wenn beispielsweise ein Molekular¬ siebeffekt erreicht werden soll.

Es besteht dabei völlige Freiheit bei der Wahl des Vernet- zungεgradeε, weil eine Vernetzung der aufgepfropften Poly¬ merεchicht weder für die Gewährleistung der mechanischen Festigkeit der Matrix noch für eine ausreichende Fixierung auf dem Träger erforderlich ist, wie dies für Matrices nach dem Stand der Technik zutrifft. Die mechanische Festigkeit wird auεεchließlich durch die des Trägers bestimmt und diese wird wie erwähnt durch das Prinzip der Oberflächen¬ pfropfung nicht beeinträchtigt.

Die meßtechnisch unmittelbar zugänglichen Größen zur Cha¬ rakterisierung der aufgepfropften Polymerεchicht εind der Pfropfgrad, alεo die Maεεenzunahme im Trockenzuεtand, bezo¬ gen auf die Maεεe deε Trägerε und die Anbnahme der hydrau- liεchen Permeabilität gegenüber der deε Trägerε. Der Pfropfgrad wird bei nichtporöεen Verεtärkungεmaterialien enthaltenden Trägern, alεo beiεpielεweiεe Vlieεen oder Ge¬ weben im Falle von Membranen, auf die Maεεe deε Trägerε ab¬ züglich dieεer nichtporöεen Anteile bezogen. Folgt auf die Pfropfung eine nachträgliche Einführung von funktionellen Gruppen, wird der Berechnung deε Pfropfgradeε die Maεεenzu¬ nahme nach Einführung dieεer Gruppen zugrundegelegt. Nach¬ träglich eingeführte Liganden oder Reaktanden hingegen wer¬ den bei der Berechnung nicht berückεichtigt.

Der Pfropfgrad iεt inεofern ein weεentlicheε Kriterium der erfindungεgemäßen Matrix, weil er ein Maß darεtellt für die Menge an aktiven Zentren, alεo funktioneile Gruppen und/oder Liganden oder Reaktanden, die auf der Matrix un- tergebracht werden können. Eε iεt jedoch nicht grundεätz- lich ein möglichεt hoher Pfropfgrad anzuεtreben, wobei eε bei den bevorzugten Pfropfverfahren keinerlei Schwierigkei-

•2-S ^" ten bereitet, sehr viel höhere Pfropfgrade zu erreichen, als erforderlich. Ein zu hoher Pfropfgrad ist dabei im all¬ gemeinen nicht nur von einer zu starken Minderung der hydraulischen Permeabilität begleitet, sondern auch von ei- ner Abnahme sowohl der unlimitierten als auch der trans¬ portlimitierten Kenngröße.

Der zur Erreichung bestimmter Eigenεchaften der Matrix er¬ forderliche Pfropfgrad hängt davon ab, inwieweit von dem angewandten Pfropfverfahren die Forderung nach einer auε- εchließlichen Oberflächenpfropfung erfüllt wird. Von den erfindungεgemäß bevorzugten Pfropfverfahren trifft dies bei der "Pfropfung nach Filmbildung" am weitestgehenden zu. Bei Anwendung dieεeε oder in dieεer Richtung ähnlich wirkεamer Verfahren beträgt der Pfropfgrad erfindungεgemäß zwiεchen 0,5 und 25 %, vorzugεweiεe zwiεchen 1 und 10 %. Bei den beiden anderen, vorwiegend bei Polyamiden und verwandten Trägerpolymeren angewandten Pfropfverfahren εind die erfor¬ derlichen Pfropfgrade etwaε höher, weil εie, wenn auch in geringfügigem Ausmaß, von einer Pfropfung im Bulk des Trä¬ gerε begleitet εind. Für diese Verfahren liegt der erfin¬ dungsgemäße Bereich der Pfropfgrade zwiεchen 5 und 75 %, vorzugεweiεe zwiεchen 10 und 50 %.

Während der Pfropfgrad daε Produkt auε Kettendichte und Kettenlänge deε aufgepfropften Polymeren darεtellt, läßt die Abnahme der hydraulischen Permeabilität Rückschlüsεe auf die Dicke der aufgepfropften Polymerεchicht zu. Bei gleichem Pfropfgrad und gleicher Solvatation kann alεo die Permeabilitätεminderung in weiten Grenzen εchwanken, je nachdem, ob eε εich um ein kurzkettiges oder ein langketti- geε Polymer handelt. Während ein kurzkettiges Polymer nur eine geringe Permeabilitätsminderung bewirkt, kann eine hohe Kettendichte dazu führen, daß zwiεchen den Polymerket- ten zu wenig Raum für den Zutritt hochmolekularer Komponen¬ ten verbleibt, was eine niedrige unlimitierte Kenngröße zur Folge hat. Beim Einεatz einer Matrix mit einer großen Ket-

2b tenlänge der aufgepfropften Polymerschicht kann zwar die Permeabilitätsminderung durch Verwendung eines entsprechend grobporigen Trägers in Grenzen gehalten werden, doch kann in diesem Fall der Stofftransport insbesondere hochmoleku- larer Komponenten in das Innere dieser Schicht limitierend werden. Die Folge dieser Diffusionεlimitierung iεt eine Verminderung der tranεportli itierten Kenngröße.

Weitere Unterεchiede in den Anforderungen an die auf- gepfropfte Polymerεchicht in bezug auf hoch- oder niedermo¬ lekulare Komponenten betreffen die Vernetzung und die Asεo- ziation der Polymerketten, wobei die Aεεoziation deε Poly¬ meren beiεpielεweiεe über H-Brücken oder hydrophobe Wech- εelwirkungen eine ähnliche Auswirkung hat, wie eine Vernet- zung. In beiden Fällen wird der Quellgrad des Polymeren herabgesetzt, die Schichtdicke bei den gegebenem Pfropfgrad wird geringer, und die "Maschen" zwischen den Polymerketten werden enger. Je kleiner die Komponenten sind, die mit der Matrix wechεelwirken εollen, umεo mehr kann von der Vernet- zung oder zur Assoziation neigenden Gruppen Gebrauch ge¬ macht werden, um trotz eines hohen Pfropfgrades und der da¬ durch erreichten hohen unlimitierten Kenngröße eine geringe Permeabilitätsabnahme zu erreichen.

Wenn im folgenden das Volumen der aufgepfropften Polymer¬ schicht zur Charakterisierung der erfindungsgemäßen Matrix herangezogen wird, sind dabei Annahmen erforderlich, die nicht der Realität entsprechen. Dabei wird von dem Modell ausgegangen, daß der Träger zylinderische Poren aufweiεt, die bei der Pfropfung konzentriεch verengt werden. Die Ab¬ weichung von der Realität betrifft dabei nicht nur die Po¬ rengeometrie. Eε iεt auch anzunehmen, daß die aufgepfropfte Polymerschicht, besonderε dann, wenn εie unvernetzt iεt, εelbεt eine gewiεεe Durchεtrömbarkeit aufweiεt, die bei dem Modell nicht berückεichtigt wird. Aus Gründen der Anschau¬ lichkeit wirde diese Betrachtungsweise dennoch für zweck¬ mäßig gehalten.

Bei Anwendung des Hagen-Poiseuille'sehen Gesetzes auf obi¬ ges Modell ergibt sich daε Verhältniε der Porendurchmeεεer des ungepfropften Trägers und der gepfropften Matrix aus der vierten Wurzel des Verhältnisses der hydraulischen Per¬ meabilitäten. Das Verhältnis des Polymervolumens zum Poren¬ volumen des ungepfropften Trägers ist dann:

Vp/Vt = 1 - (Pm/Pt) * Vp = Volumen der aufgepfropften Polymerschicht

Vt = Porenvolumen des Trägers Pm = hydraulische Permeabilität der Matrix Pt = hydraulische Permeabilität des Trägerε

Die hydrauliεche Permeabilität der erfindungεgemäßen Matrix kann je nach Anwendungεfall in εehr weiten Grenzen gewählt werden. Sie kann εowohl nur geringfügig unter der deε ver- wendetetn Trägerε liegen, nämlich um etwa 5 %, εie kann aber auch nur etwa ein Tauεendεtel der Permeabilität deε Trägerε betragen. Daraus ergibt sich nach obiger Beziehung für das Volumen der aufgepfropften Polymerεchicht ein Be¬ reich zwiεchen 2,5 und 97 , bezogen auf daε Porenvolumen deε verwendeten Trägerε. Ein beεonderε bevorzugter Bereich liegt zwiεchen 20 und 90 %.

Daε Volumen deε gequollenen Polymeren iεt umεo εtärker von der Art der flüsεigen Phaεe abhängig, je geringer die Ver¬ netzung iεt. So εteigt im Falle von erfindungεgemäßen Ad¬ εorbentien auf der Baεiε von Ionenauεtauεchern die hydrau- liεche Permeabilität für wäßrige Elektrolytlöεung εtark mit εteigender Elektrolytkonzentration an, waε auf die herabge- εetzte Quellung der aufgepfropften Polymerεchicht zurückzu¬ führen iεt. Die angegebenen Werte für daε Volumen deε gequollenen Polymeren gelten in Verbindung mit der für die Anwendung der Matrix vorgeεehenen flüsεigen Phaεe.

Der Einfluß der Quellung auf die Permeabilitätsabnahme wird besonders deutlich, wenn nach einem bevorzugten erfindungs¬ gemäßen Herstellungεverfahren die die Solvatisierbarkeit des Polymeren bewirkenden funktionellen Gruppen erst nach der Pfropfung in das Polymer eingeführt werden. In diesem Fall ist die Permeabilitätsabnahme vor der Einführung der funktionellen Gruppen sehr viel niedriger. Aus der hydrau¬ lischen Permeabilität vor und nach der Einführung der funk¬ tionellen Gruppen läßt sich unter Anwendung obiger Bezie- hung näherungweise der Quellgrad der aufgepfropften Poly¬ merschicht in der flüsεigen Phaεe beεtimmen, wobei unter Quellgrad daε Verhältnis des Volumens im gequollenen Zu¬ stand zum Volumen im ungequollenen Zustand verεtanden wird. Der Quellgrad deε aufgepfropften Polymeren liegt erfin- dungεgemäß zwiεchen 1,5 und 500, wobei der Bereich zwiεchen 10 und 100 beεonderε bevorzugt wird.

Daε Volumen deε aufgepfropften Polymeren wird nicht nur durch den Quellgrad im Kontakt mit der flüεεigen Phaεe be- einflußt, εondern in beεtimmten Fällen auch durch die Wech¬ εelwirkung mit den Komponenten. So kann nach einem nicht vollεtändig verεtandenen Mechaniεmuε im Falle von erfin- dungεgemäßen Adεorbentien auf Ionenauεtauεcherbaεiε mit ei¬ ner unvernetzt aufgepfropften Polymerεchicht in Abhängig- keit von den gewählten Pfropfbedingungen die hydrauliεche Permeabilität nach der Beladung mit Proteinen εowohl zu- alε auch abnehmen. In einer Auεführungεform der Erfindung werden die empiriεch ermittelten Pfropfbedingungen ange¬ wandt, die zu Adεorbentien führen, deren hydrauliεche Per- meabilität bei der Beladung mit dem Adεorbenden abnimmt, weil εich dadurch ein "eingebauter Selbstregulierungsef- fekt" erreichen läßt. Der Bereich dieser Permeabilitätsab¬ nahme beträgt zwischen 5 und 60 % der Permeabilität im unbeladenen Zuεtand, wobei der Bereich zwiεchen 10 und 40 % beεonders bevorzugt wird.

23

Dieser Effekt ist deshalb vorteilhaft, weil er einen ent¬ scheidenden Beitrag zu dem anzustrebenden scharfen Durch¬ bruch der Zielsubstänz leistet. Ein unscharfer Durchbruch der Zielsubεtanz, alεo ein allmählicheε Ansteigen ihrer Konzentration im Ablauf des Adsorbens vor der Erschöpfung der statischen Bindungskapazität, iεt dabei gleichbedeutend mit einer niedrigen dynamiεchen Bindungεkapazität. Der Hin¬ tergrund iεt dabei der, daß eε unter techniεchen Bedingun¬ gen auch bei exakter Kontrolle der Herεtellparameter εowohl bei der Fertigung deε Trägers alε auch bei den nachfolgen¬ den Schritten nicht möglich iεt, ein Adεorbens mit abεolut gleichmäßiger Bindungεkapazität und Permeabilität herzu- εtellen. Darüber hinauε ist es auch nicht möglich, techni¬ sche Module zum Betrieb von Adεorbern herzuεtellen, die über die Gesamtfläche einen abεolut gleichmäßigen Diffe¬ renzdruck aufweiεen. Alle drei genannten Vorauεsetzungen müßten jedoch gegeben sein, um die dynamische Kapazität der Matrices voll nutzbar zu machen. Der erwähnte Selbstregu- lierungεeffekt beεteht darin, daß die lokal bereits stärker beladenen Teile der Matriceε weniger zur Gesamtfiltrations- leiεtung beitragen alε der Reεt und der lokale Durchbruch deε Zielproteinε εomit hinauεgezögert wird.

Daε Auεmaß der Durchflußreduzierung des Adsorberε bei der Beladung iεt umεo größer, je feiner die Auεgangεporoεität des Trägers ist. Davon wird in einer weiteren Ausführungε- form der Erfindung Gebrauch gemacht, indem ein Träger m;" einem Gradienten der Porosität eingeεetzt wird, wobei die Beladung mit dem Adεorbenden in der Weiεe erfolgt, daß der feinerporige Bereich zuletzt durchεtrömt wird. Im Falle der geεchäumten Träger kann eine derartige Struktur durch Wahl der Schäumbedingungen erzielt werden, wobei der Zuεammen- hang zwiεchen der Porenεtruktur und diesen Bedingungen dem Fachmann bekannt ist. Werden mikroporöse Membranen als Träger benutzt, so sind asymmetrische Membranen einsetzbar, bei denen durch die Wahl der Auεfällbedingungen ein Gradi¬ ent der Porengroße über die Membrandicke bewirkt wird. An-

3o εtelle eineε asymmetrischen Trägers ist es insbeεondere bei Verwendung mikroporöεer Membranen alε Träger auch möglich, eine Matrix ohne ode ^' r mit geringer Durchflußminderung bei der Beladung mit einer solchen hohen Durchflußminderung zu kombinieren, wobei die mit hoher Durchflußminderung zuletzt durchströmt wird.

Durch die Verwendung einer derartigen asymmetriεchen Matrix oder der beεchriebenen Kombination iεt es möglich, einen Großteil der Beladung ohne bzw. nur mit geringer Durchflu߬ minderung durchzuführen und dennoch den beschriebenen Selbεtregulierungεeffekt zu nutzen. Die Durchflußminderung bei der Beladung erfindungεgemäßer aεymmetriεcher Adεorben¬ tien kann 30 biε 95 %, vorzugεweiεe 50 bis 90 % betragen. Die gleichen Bereiche gelten für symmetriεche erfindungsge- mäße Adεorbentien auf der Baεiε mikroporöεer Membranen, die für die Kombination mit Adεorbentien niedriger Durchflu߬ minderung vorgeεehen εind. Der Vorteil beεteht darin, daß die Durchflußminderung nicht kontinuierlich erfolgt, εon- dem εprunghaft gegen Ende der Beladung, εobald die Front deε Adεorbenden im Bereich der hohen Durchflußminderung an- .kommt, εo daß der größte Teil der Beladung mit hoher hydrauliεcher Permeabilität erfolgen kann. Dieεe εprung- hafte Abnahme kann auch alε Indiz für den bevorεtehenden Durchbruch deε Adεorbenden gewertet und beiεpielεweiεe in automatiεierten Syεtem alε Signal zum Abbruch der Beladung eingeεetzt werden.

Herstellung der Matrix

Zur Pfropfung können einfach ethyleniεch ungeεättigte Mono- mere verwendet werden, gegebenenfallε unter Zuεatz eineε mehrfach ungeεättigten Monomeren zur Bewirkung einer gerin¬ gen Vernetzung der aufgepfropften Polymerschicht. Die einfach ungesättigten Monomeren enthalten entweder die funktionellen Gruppen zur Solvatisierung der aufgepfropften Polymerschicht und die funktionellen Gruppen und/oder Li-

ganden zum Hervorrufen der Wechselwirkung bereits von vorn¬ herein, d.h. vor der Pfropfung oder sie enthalten eine che¬ misch reaktive Gruppe, die es ermöglicht, diese Gruppen und/oder Liganden in einer oder mehreren chemischen Umsat- zungen nachträglich einzuführen.

Der letztgenannte Weg εtellt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, wobei als eine reaktive Gruppe enthal¬ tendes Monomer beispielεweiεe Glycidylmethacrylat, Glyci- dylacrylat und Methylacrylamidoglycolatmethylether (MAGME) einεetzbar εind, und Glycidylmethacrylat besonders bevor¬ zugt wird, wenn die Anwendung der Matrix den Einfluß extre¬ mer pH-Werte einschließt. Im Falle der Adεorbentien trifft dies vielfach zu, zwar nicht bei der Adsorption selbst, je- doch häufig bei der Reinigung oder Regenerierung. Bei Säure-Base-Katalysatoren trift es auch bei der Anwendung zu. Iεt hingegen die Hydrolyεebeεtändigkeit von geringer Bedeutung und eher eine geringe Hydrophobie für die Anwen¬ dung auεεchlaggebend, werden die beiden anderen Monomere bevorzugt. Die reaktive Gruppe der beiden Glycidyleεter iεt die Epoxidgruppe, während MAGME eine aktivierte Eεterbin- dung aufweiεt, die bei Umεetzung mit Aminen εchon bei Raum¬ temperatur glatt zu den entεprechenden Amiden führt und au¬ ßerdem eine ebenfallε labile Methoxygruppe, die eine εäure- katalyεierte Vernetzung ermöglicht.

Polyglycidylmethacrylat iεt alε Homopolymer waεserunlöε- lich, εo daß Umsetzungen nach Aufpfropfung von Glycidylme¬ thacrylat auf den Träger zur Einführung der funktionellen Gruppen und/oder Liganden oder Reaktanden in einem wäßrigen Reaktionεmedium alε Heterogenreaktion einerseits relativ langsam und andererεeitε von außen nach innen fortεchrei- tend erfolgen. Erεtenε iεt immer letztereε dann uner- wünεcht, wenn eine εtatiεtiεche Verteilung verεchiedener Gruppen, Liganden oder Reaktanden angeεtrebt wird. Bei be¬ stimmten Ausführungεformen der Erfindung wird daher zum Er¬ reichen einer quasi-Homogenreaktion ohne dieεe Nachteile,

die Phasentransferkatalyse angewandt, und zwar im Falle von anionischen Reagenzien zur Einführung der funktionellen Gruppen, oder es wird ein Lösungεmittel für Polyglycidylme- thacrylat alε Reaktionsmedium eingesetzt.

Ohne diese Maßnahmen wird gearbeitet, wenn sämtliche Mono¬ mereinheiten mit derselben funktionellen Gruppe versehen werden sollen, und daε dafür erforderliche Reagens auch bei einer Heterogenreaktion ausreichend rasch reagiert. Dieε iεt der Fall bei der Quarterniεierung mit Trimethylamin zu einem εtark baεiεchen Ionenauεtauεcher oder der Umεetzung mit Diethylamin zu einem schwach basiεchen Ionenauεtau¬ εcher. Nach dieεer Auεgeεtaltung der Erfindung , nämlich bei Anwendung eineε wäßrigen Reaktionεmediumε, das kein Lö- sungεmittel für Polyglycidylmetharcrylat darεtellt, iεt die quantitative Umεetzung deε aufgepfropften Polymeren mit folgenden Aminen möglich, wobei typiεche Reaktionsbedingun- gen für annähernd 100 prozentigen Umεatz in Klammern ange¬ geben εind: Trimethylamin (20 % Trimethylaminhydrochlorid, pH=ll, 20 Minuten, Raumtemperatur), Ethyldimethylamin (20 %, mit Schwefelεäure auf pH=ll gebracht, 15 Minuten, 50 ^* C), Diethylmethylamin (20 %, mit _. Schwefelεäure auf pH=ll gebracht, 30 Minuten, 50 °C), 1,4-Diazabicy- clo(2,2,2)octan (20 % DABCO in 1 N Schwefelεäure, 15 Minu- ten, 95 °C), Diethylamin (Zuεatz von 10 % Waεεer, 30 Minu¬ ten, 50 °C, Ethylendiamin (Zuεatz von 10 % Waεεer, 15 Minu¬ ten, 80 ^* C), Diethylentriamin und Triethylentetramin (beide wie Ethylendiamin), Imidazol (20 % in 1 N Schwefelεäure, 60 Minuten, 95 °C).

In einer Auεführungεform der Erfindung wird die Phaεen- transferkatalyεe, wobei Tetrabutylammoniumbiεulfat (TBABS) alε Phaεentranεferkatalysator bevorzugt wird, zur Einfüh¬ rung folgender Gruppen auε einem wäßrigen Reaktionεmedium angewandt (in Klammern werden typiεche Bedingungen für quantitativen Umεatz angegeben): Sulfonεäuregruppen (20 % Natriumsulfit, 5 % TBABS, pH=8, 60 Minuten, 95 °C), Mercap-

togruppen (10 % Natriumεulfid, 5 % TBABS, pH=9, 60 Minuten 60 °C), Iminodieεεigεäuregruppen (40 % Na-Iminodiacetat, 5 % TBABS, pH=ll, 15 Minuten, 95 °C), N-Methylaminoesεig- säuregruppen (40 % Na-Salz des Sarkosins, 5 % TBABS, pH=ll, 10 Minuten, 95 °C) .

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Derivatisierung des aufgepfropften Glycidylmethacrylats in einem Reaktionεmedium durchgeführt, daε entweder ein Lö- εungεmittel oder zu indeεt ein εtarkes Quellmittel für das Polymer darstellt. Dieser Weg wird bevorzugt, wenn nur eine unvollständige Umsetzung beabsichtigt ist, die jedoch in statistiεcher Verteilung erfolgen soll. So verläuft die Quarternisierung mit Pyridin (50 % in I N Schwefelεäure, 50 %) innerhalb von 60 Minuten quantitativ, während bei ei¬ ner Herabεetzung der Reaktionεzeit im Bereich zwiεchen 20 und 40 Minuten definierte Teilumεetzungen erreicht werden können. Dieεe Reaktion wird bevorzugt für die Auεführungε¬ form der Erfindung, die auf der Kombination von quarter- nären Aminogruppen mit Epoxidgruppen zur zuerεt ioniεchen und anεchließend chemiεchen Bindung von Liganden oder Enzy¬ men beruhen. Dabei werden 15 biε 95 % der Epoxidgruppen in Pyridiniumgruppen umgewandet, vorzugεweiεe 30 biε 90 %.

Dieεe Reaktion, die im Prinzip auch mit anderen tertiären Aminen auεgeführt werden kann, εtellt in einer Auεgeεtal- tung der Erfindung ein Zwiεchenprodukt dar für die Herεtel- lung erfindungεgemäßer Matriceε, deren Wirkεamkeit auf Wechεelwirkungen gebundener Proteine beruhen wie z.B. von Enzymen oder immunologiεch aktiven Proteinen wie z.B. Pro¬ tein A. Die Bindung der Proteine an dieεeε Zwiεchenprodukt erfolgt in der Weiεe, daß zunächεt bei einem pH-Wert ober¬ halb deε iεoelektrischen Punktes des Proteins seine ioni¬ sche Bindung herbeigeführt wird. Dabei ist festzustellen, daß eine sofortige Elution des Proteins beispielεweiεe mit einer 1 M KCl-Löεung praktiεch vollεtändig iεt. Der eluier- bare Anteil deε Proeins sinkt jedoch schon nach wenigen Mi-

nuten merklich ab, was auf die allmähliche chemische Bin¬ dung über die restlichen Epoxidgruppen zurückzuführen iεt, und nach einem Zeitraum von beispielsweise einer Stunde ist praktisch das gesamte Protein chemisch gebunden, wenn die Beladung bei pH=9 durchgeführt wurde. Bei pH-Werten zwi¬ schen 7 und 9 kann dieεer Zeitraum εich auch auf 3 biε 4 Stunden auεdehnen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die teil- weise Hydrolyse der Epoxidgruppen in einem Lösungεmittel für Polyglycidylmethacrylat mit Perchlorεäure alε Katalysa¬ tor. Perchlorsäure wird deshalb bevorzugt, weil andere Mi¬ neralsäuren wie Schwefelsäure, Salpetersäure und Chlorwas- εerεtoff von den Epoxidgruppen zu einem erheblichen Anteil unter Vereεterung gebunden werden. Eine quantitative Hydro- lyεe erfolgt bei 40 °C innerhalb von 30 Minuten, wenn 5 % Waεεer enthaltendeε Dioxan, daε 0,05 N in bezug auf Per¬ chlorεäure iεt, verwendet wird. Eine teilweiεe Hydrolyεe wird mit dem Ziel durchgeführt, bei der nachfolgenden Um- εetzung der reεtlichen Epoxidgruppen nach einer der obenge¬ nannten Reaktionen in εtatiεtischer Verteilung eine vermin¬ derte Dichte an funktionellen Gruppen zu erhalten. Der Be¬ reich der Hydrolyse, die vorzugεweiεe über die Reaktionε- zweit geεteuert wird, beträgt 10 biε 80 % der Epoxidgrup- pen, wobei der Bereich 20 biε 50 % im allgemeinen bevorzugt wird.

Ein auf dieεe Weiεe teilhydrolyεierteε Produkt kann bei- spielεweise nach der bereits beschriebenen Methode an den reεtlichen Epoxidgruppen εulfoniert werden, und es können anschließend an den Hydroxylgruppen nach bekannten Methoden Farbstoffliganden fixiert werden. Die entεtehende Matrix hat, wie bereitε auεgeführt, eine stärkere negative Ladung, alε wenn die Farbεtoffliganden alleine vorhanden εind.

In einer andern Auεführungsform der Erfindung wird die Dichte an funktionellen Gruppen bzw. Liganden dadurch her-

abgeεetzt, daß bei der Pfropfung von vorneherein ein Ge- miεch von Glycidylmethacrylat und einem anderen Monomeren eingeεetzt werden, das bei der Derivatisierung zu den funk¬ tionellen Gruppen bzw. Liganden nicht reagiert. Dabei be- steht allerdings je nach den Copolymerisationεparametern der betreffenden Monomere die Gefahr, daß die Verteilung der Monomere nicht εtatiεtiεch erfolgt, εondern bevorzugte Kettenbereiche mit überwiegend Glycidylmethacrylat oder dem anderen Monomeren auftreten. In der genannten Auεführungε- form werden Hydroxyethylmethylacrylat und Dihydroxypropyl- methacrylat alε Copolymere bevorzugt, bei denen dieser Ef¬ fekt nicht störend in Erscheinung tritt. Der Anteil dieser Comonomere in der aufgepfropften Polymerschicht (nicht im Monomerengemisch) beträgt 5 biε 50 Mol %, vorzugεweise 10 bis 30 Mol %.

Alε Zwiεchenprodukt bei der Herεtellung erfindungεgemäßer Matrices sind vielfach primäre Aminogruppen in der auf¬ gepfropften Polymerschicht zweckmäßig, die die Einführung wewiterer funktioneller Gruppen oder Liganden durch Ver¬ knüpfung über eine Amidbindung ermöglichen. Die Umεetzung mit Ammoniak iεt hierfür nicht geeignet, weil dabei eine unkontrollierbare Mehrfachreaktion zu εekundären und terti¬ ären Aminogruppen unter Vernetzung eintritt. In einer Auε- führungεform der Erfindung wird zur Einführung von primären Aminogruppen die bereitε beεchriebene Umsetzung mit Ethy¬ lendiamin herangezogen, wobei in diesem Fall durch Anwen¬ dung eines überεchuεεeε von Ethylendiamin eine Mehrfachre¬ aktion weitgehend vermieden werden kann. In dieεem Fall wird jedoch gleichzeitig eine εekundäre Aminogruppe einge¬ führt, die εpäter, alεo nach Überführung der primären Ami¬ nogruppe in eine Amidbindung ihren kationiεchen Charakter beibehält.

Soll ein kationiεcher Charakter der Matrix, der gegebenen¬ falls auf Grund seiner ionischen Bindungεfähigkeit εtören kann, vermieden werden, wird gemäß einer andern Auεfüh-

rungεform der Erfindung primär eine Quarternisierung der Epoxidgruppen mit Hexmethylentetramin (Urotropin) durchge¬ führt, und dieses Produkt mit Mineralsäuren hydrolytisch gespalten, wobei einheitlich primäre Aminogruppen erhalten werden. Die Umsetzung ist quantitativ, wenn die gepfropfte Matrix mit einer 40-prozentigen Lösung von Urotropin in Eiseεεig 90 Minuten bei 50 °C zur Reaktion gebracht wird. Eine Verkürzung der Reaktionεzeit führt zu einer Teilumεet- zung, wobei eine εtatiεtische Verteilung der Gruppen er- reicht wird. Nach Teilumsetzung kann die Hydrolyεe des Pri¬ märproduktes der quarternären Urotropin-Adduktes mit Per¬ chlorsäure durchgeführt werden. Die statiεtiεch verteilten Aminogruppen eignen εich außer für die bereits erwähnte An- kopplung von funktionellen Gruppen oder Liganden über die Amidbindung auch für die gebräuchliche Bindung von Protei¬ nen wie z.B. Enzyme unter Verwendung von Glutardialdehyd und nachfolgender Reduktion mit Natriumborhydrid zur Um¬ wandlung der primär entstehenden Schiffschen Baεen in die εtabileren Amine.

Eine weitere Auεführungεform der Erfindung, die auf einer mehrεtufigen Umεetzung beruht, iεt die Überführung des Iminodiesεigεäure-Liganden in die entεprechende Hydroxam- εäure. Dabei wird zunächεt wie breits beschrieben die Reak- tάon mit Iminodieεεigεäure durchgeführt, daε Produkt durch Behandlung mit einer Mineralεäure in die H-Form übergeführt und darauε durch 30-minütige Umεetzung mit Carbonyldiimida- zol (10-prozentige Löεung in Dimethylformamid) bei Raumtem¬ peratur daε Imidazolid hergeεtellt. Dieεeε ergibt mit Hy- droxylaminhydochlorid (10 % in Dimethylformamid) ebenfallε nach 30 Minuten bei Raumtemperatur die entεprechende Hy- droxamεäure, die alε Chelatbildner, inεbeεondere für drei¬ wertigeε Eiεen, einsetzbar ist. Daε Zwiεchenprodukt dieεer Reaktionεfolge, daε Imidazolid, ist auf Grund seiner hohen Reaktivität auch zur Kopplung anderer funktionellere Grup¬ pen, Liganden oder Reaktanden über Aminogruppen geeignet.

3r Die Verwendung der erfindungsgemäßen Matrix.

Erfindungεgemäße Matrices mit Sulfonεäuregruppen können εowohl für die adsorptive Stofftrennung durch Ionenaus- tauεch, inεbeεondere von Proteinen eingeεetzt werden, als auch in der Säureform für die heterogene Säurekatalyse. Ty¬ pische katalytische Umsetzungen, für die derartige Kataly¬ satoren geeignet sind, εind hydrolytiεche Reaktionen wie z.B. die Verεeifung von Eεtern oder die Vereεterung von Al- koholen mit Carbonεäuren.

Bei Matriceε mit quarternären Ammoniumgruppen werden dieje¬ nigen bevorzugt, die durch Umεetzung der mit Glycidylme¬ thacrylat gepfropften Matrix mit Trimethylamin erhalten wurden, weil diese die höchste thermische Beεtändigkeit aufweiεen. Dieεe Matriceε εind ebenfallε εowohl alε Ionen- auεtauεcher alε auch alε baεiεche Katalyεatoren verwendbar.

Matriceε mit Chelatliganden wie z.B. Iminodiacetat- und Sarkoεinliganden können nach Beladung mit Schwermetallen wie z.B. Kupfer für die adεorptive Trennung von Proteinen durch IMAC eingeεetzt werden, Matrices mit zur Hydroxam- εäure umgeεetztem Iminodiacetatliganden ebenfallε, jedoch in dieεem Fall vorzugεweiεe nach Beladung mit dreiwertigem Edεen. Die genannten Chelatbildner werden auch zur Abtren¬ nung und Anreicherung von Schwermetallen aus verdünnten Lö¬ sungen eingeεetzt. Matriceε mit Aminliganden wie die Umεet- zungεprodukte von mit Glycidylmethacrylat gepfropften Ma¬ triceε mit Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylente- tramin und Imidazol, werden verwendet für die Abtrennung und Anreicherung von Schwermetallen, die Aminkomplexe bil¬ den wie z.B. Kupfer.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnamhe auf die Zeichnung und mit Hilfe von Beiεpielen weiter beεchrieben; eε zeigen:

Figur 1: den Zusammenhang zwischen statischer Bindungska¬ pazität und hydraulischeer Permeabilität mikropo¬ röser Cellulosenitratmembranen verschiedener nomineller Porengrößen

Figur 2: die Invertierung von Rohrzucker durch membrange¬ bundene Invertase aus Bäckerhefe

Beispiele

Beispiel 1

Vergleich von Adsorption gemäß dem Stand der Technik mit dem erfindungsgemäßen Adεorbenε nach Beiεpiel 4

Zum Vergleich wurden folgende handelεübliche Einheiten herangezogen, bei denen eε εich durchwegε um KatIonenaus¬ tauscher handelt, die für die Proteintrennung angeboten werden:

a) Millipore Memsep 1000

Cat. No. CICM 10 H 01 Charge No. P15850

1,2 μm regenerated Celluloεe

Ion Exchange Ligand Carboxymethyl

b) FMC ACTIDISC Carboxymethyl (CM) Cat. No. 80131 Lot No. 122289 CM

c) CUNO Zetaprep SP Cat. No. 7503301 SP Charge No. VPSP 9102B4 Cellulose with grafted acrylic polymers Ion exchange ligand -0-CH2-CH2-CH2-SO3

Die verglichenen Matriceε wieεen ohne daε jeweilige Gehäuse folgende Maße und Gewichte bzw. Durchflußwerte bei 1 bar für Puffer im eingebauten Zustand (mit Gehäuse) auf:

35

Millipore FMC Cuno Beiεpiel

Der Vergleich erfolgte durch Beladung mit einer Löεung von 1 mg/ml Cytochrom C in 0,01 M k-Phoεphatpffer pH=7,0, wobei die Durchbruchεkurve mittelε einer nachgeεchalteten UV- Durchflußküvette und eineε Schreibers aufgenommen wurde. Die statiεche Bindungskapazität wurde aus der insgeεamt ge¬ bundenen Menge Cytochrom C beεtimmt, εobald die durchge¬ pumpte Löεung wieder die Auεgangεkonzentration erreicht hatte und auf die Trockenεubεtanz der Matrix bezogen. Alε dynamiεche Bindungεkapazität wird diejenige Cytochrom C- Menge angegeben, die zu dem Zeitpunkt gebunden iεt, wenn die Konzentration der durchgepumpten Lösung auf 10 % der Ausgangεkonzentration angeεtiegen iεt. Angegeben wird auch die lineare Beladungεgeεchwindigkeit v, bei der gemeεεen wurde, d.h. daε pro Zeiteinheit geförderte Volumen geteilt durch die Fläche der Matrix.

statische dynamische v Bindungsk. Bindungsk. (cm/min) (mg/g Trocken¬ (in % der substanz) statiεchen)

25,1 73,1 27,9 8,0

153 14,0 228 76,0

Um einen Vergleich der Eigenεchaften auf Volumenbaεiε zu ermöglichen und auch die unterεchiedlichen hydrauliεchen Permeabilitäten der Matriceε bei gleicher Dicke zu veran- εchaulichen, wurden die Meßwerte auf einen 1 cm ³ - Würfel der Matriceε umgerechnet.

hydrauliεche

Permeabilität statische dynamische

(cm/min bar) Bindungskapazität (mg/ml)

Millipore 0,336 12,2 8,85

FMC 0,058 12,9 1,03

Cuno 3,66 72,1 10,1

Beispiel 4. 5,88 54,8 41,7

Dieses Beispiel zeigt, daß die erfindungεgemäße Matrix in bezug auf die hydrauliεche Permeabilität weit über den Ma¬ terialien nach dem Stand der Technik liegt und, waε noch viel wichtiger ist, dies mit einer extrem hohen dynamischen Kapazität verbindet. Dabei ist auch zu berücksichtigen, daß die erfindungεgemäße Matrix unter den verglichenen Materia¬ lien mit Abεtand die geringεte Dicke aufwies und der Rela¬ tivwert der dynamischen Kapazität bezogen auf die statiεche mit εteigender Schichtdicke nur zunehmen kann.

Beiεpiel 2

Pfropfung von Glycidylmethacrylat auf einer Nylon 6-Mem- brane

Die Pfropfung wurde analog Beiεpiel 8 der PCT/EP90/01498 (Arbeitεbezeichnung "Pfropfung nach Chlorierung") durchge¬ führt, wobei jedoch abweichend von dieεem Beiεpiel eine Membranbahn vom nominellen Porendurchmeεεer 0,65 μm verwen¬ det wurde (Bahnbreite 40 cm).

CAT-Löεung: 2-prozentige Löεung von Chloramin T mit Schwe¬ felεäure auf pH=6,3 eingeεtellt.

Monomeremulεion: 6 kg Glycidylmethacrylat wurden mit 120 g Emulgator (Arlatone G, ICI) vermiεcht und mit 113,8 kg 0,1 M N-Phoεphatpuffer pH=8 fünf Minuten lang mit einem Flügel- rüher emulgiert.

CAT-Lösung und Monomeremulsion wurden in Behandlungswannen mit Umlenkrollen für die Membranbahn gefüllt, wobei die Mo¬ nomerwanne zur Atmosphäre abgedichtet und mit Stickstoff beaufschlagt wurde. Zwischen CAT-Wanne und Monomerwanne be- fanden sich zwei weitere Wannen, wobei die erste mit R0- Wasser gefüllt war, daε während der Behandlung mit 100 1/h auεgetauscht wurde, die zweite mit Phosphatpuffer pH=8. Nach der Monomerwanne folgte eine weitere Spülwanne mit RO- Waεεer, anεchließend die AufWicklung. Die Trocknung er- folgte in einem getrennten Schritt auf einer Trockentrommel von 70 "C.

Die Monomeremulεion wurde durch Zudoεieren einer Lösung von 3 % Na-Dithionit und 3 % Natriumhydroxid auf ein Redoxpo- tential von -310 mV gebracht, welches während der Pfropfung potentiometrisch gemeεεen und durch Nachdoεierung von 3- prozentiger Dithionitlöεung konεtant gehalten wurde. Die Verweilzeit im CAT-Bad betrug zwei Minuten, die Verweilzeit im Monomerbad (Pfropfdauer) wurde über die Bahngeεchwindig- keit auf 13 Minuten eingeεtellt.

Der Pfropfgrad der erhaltenen Membrane (die Maεεenzunahme bei der Pfropfung) betrug 23 %. Die hydrauliche Permeabili¬ tät der Membrane εank bei der Pfropfung von 46cm/min bar auf 42 cm/min bar ab.

Beiεpiel 3

Copfropfung von Glycidylmethacrylat und Hydroxymethylme- thacrylat auf einer Celluloεehydratmembran (nach dem in der Deutεchen Patentanmeldung P 41 07 171.9, Arbeitεbezeichnung "Pfropfung nach Filmbildung", beεchriebenen Verfahren)

Herεtellung von N-Chlor-Nylon 6: 100 mg Nylon 6 (in Form einer mikroporöεen Membrane) wurden in einem Gemiεch aus 5 g mit Molekularεieb getrocknetem Methylenchlorid und 0,05 g Ameiεenεäure bei Raumtemperatur vorgelegt und 1 g t- Butylhypochlorit hinzugefügt. Nach 2,5 Stunden bei

V2 Raumtemperatur war die Nylonmembrane gelöst und die Lösung wurde mit Methylenchlorid auf 0,1 % N-Chlornylon verdünnt.

Eine handelsübliche Cellulosehydratmembrane der Typbezeich¬ nung SM 11642 (Sartorius AG Göttingen) und der nominellen Porengröße 5 μm wurde mit der 0,1-prozentigen Lösung von N- Chlor-Nylon 6 durch Eintauchen imprägniert, zunächεt bei Raumtemperatur und anεchließend 10 Minuten bei 80 °C ge¬ trocknet.

Die mit N-Chlor-Nylon beεchichtete Membrane wurde 5 Minuten in einem Pfropfbad folgender Zuεammenεetzung gepfropft: 2 % Hydroxyethylmethylacrylat, 5 % Glycidylmethacrylat emul- giert in 0,3 % Arlatone-G, 0,02 % Na-Dithionit in Phoεphat- puffer pH=7,5, nach Zugabe der Reagenzien erneut auf pH=7,5 geεtellt. Die gepfropfte Membrane wurde mit RO-Waεεer ge- εpült und bei 80 ^* C getrocknet. Der Pfropfgrad betrug 7,4 %.

Beiεpiel 4

Stark εaurer Ionenauεtauεcher

Ein nach Beiεpiel 3 hergeεtellter gepfropfter Träger wurde 60 Minuten bei 95 "C mit einer 20-prozentigen Löεung von Natriumεulfit mit einem Gehalt von 2 % εek-Natriumphoεphat- Dihydrat und 5 % Tetrabutyammoniumbiεulfat, die mit NaOH auf pH=8 gebracht wurde, umgeεetzt, 10 Minuten mit RO-Waε¬ εer geεpült, mit 0,3 N HC1 geεpült, zweimal mit 0,1 % NaCl geεpült und bei 80 ° C getrocknet.

Die statiεche und dynamiεche Bindungεkapazität deε Auεtau- εcherε iεt bereitε in Beiεpiel 1 angegeben.

Die Beladung mit Cytochrom C sank die hydraulische Permea- bilität der Matrix von 235 cm/min bar auf 140 cm/min bar.

Nach Regenerierung wurde wieder die Ausgangεpermeabilität erreicht, worauε hervorgeht, daß die Permeabilitätεabnahme

3 nicht auf Verblockung der Poren durch Partikel, sondern auf die Proteinbeladung zurückzuführen war.

Beispiel 5 Chelatmatrix als schwach saurer Ionenaustauscheer und für IMAC

Ein nach Beispiel 2 gepfropfter Trägeer wurde analog Bei¬ spiel 4, jedoch mit 35 % Na-Salz der Iminodiesεigεäure an- εtelle von Na-Sulfit und bei pH=ll umgeεetzt.

Die hydraulische Permeabilität der ungepfropften Membrane betrug 137, die der gepfropften 127 und die der mit Iminodiacetat umgesetzten 3 cm/min bar. Darauε ergibt εich nach der in der Beεchreibung εkizzierten Abεchätzung eine Porenauεfüllung der Matrix mit aufgepfropften Glyci- dylacrylat von 3,7 %, und eine Auεfüllung mit dem gequolle¬ nen Polymeren nach der Umεetzung mit Iminodieεεigεäure von 85 %, und εomit ein Quellgrad von 23.

Die Bindungεkapazität der Matrix für zweiwertiges Kupfer betrug 150 μg/cm ² . In der Natriumform, also vor der Bela¬ dung mit Kupfer, betrug die statiεche Bindungεkapazität bei pH=7 for Cytochrom 440 μg/cm , und für Serumalbumin war keine Bindung feεtzuεtellen. Nach Beladung mit Kupfer hin¬ gegen betrug unter εonεt gleichen Bedingungen die Kapazität für Cytochrom C 260 und für Serumalbumin 146 μg/cm ² .

Auε dieεen Meεεungen ergibt εich, daß die Matrix in der Na- Form alε εchwach εaurer Ionenauεtauεcher eingeεetzt werden kann, der entεprechend den isoelektriεchen Punkten zwar Cy¬ tochrom C, aber kein Albumin binden kann. In der Kupferform hingegen wird Albumin nach dem IMAC-Prizip gebunden, wobei nach dieεem Mechaniεmuε die Bindungskapazitäten generell niedriger sind, alε beim Ionenaustauεch.

Beiεpiel 6

Kationiεche Gruppen und Epoxidgruppen enthaltende Matrix

Nach Beispiel 2 hergestellte Membranproben wurde mit ver- schiedenen Reaktionszeiten zwischen 5 und 60 Minuten bei 50 'C in einer äquimolaren Mischung von Pyridin und Eiεeε- εig umgeεetzt. Nach Spülen mit verdünnter Eεεigεäure wurde die Matrix zunächεt mit RO-Waεεer und anεchließend mit 0,3 N HC1, RO-Waεεer und Aceton gespült und getrocknet. Der U - εetzungεgrad mit Pyridin unter Quarterniεierung wurde für jede Probe auε der Massenzugabe bestimmt.

Für die einzelnen Proben wurde die dynamische Bindungskapa¬ zität für Serumalbumin bei pH=7 bestimmt sowie die Eluier- barkeit deε gebundenen Proteinε bei εofortiger Elution mit 1 M KC1. In einem Parallverεuch wurde auf gleiche Weiεe be¬ laden, jedoch die Elution erεt nach einer Stunde Verweil¬ zeit im feuchten Zuεtand bei Raumtemperatur durchgeführt.

Quarterni- dynam. Bindungε- εierungεgrad kapazität Eluierbar-

(%) (μm/cm ² ) keit nicht elu- εofort nach ierbar

^" 1 Std. (μg/cm ² )

Der bei der vollεtändigen Quaterniεierung mit KC1 nicht eluierbare Anteil war zum Großteil mit 1-prozentiger Tri¬ ton X 100-Lösung entfernbar und etwa diese Menge ließ sich auch bei den teilquaterniεierten Proben noch mit Triton entfernen. Der Reεt jedoch, und zwar 500 biε 700 μg/cm ² , war chemiεch an die Epoxidgruppen gebunden. Ohne Teilquar- ternisierung des aufgepfropften Glycidylmethacrylats, wobei nur die Oberfläche deε waεεerunlöεlichen Polymerε für die Bindung zur Verfügung εteht, betrug die chemiεche Bindung

der Proben bei mehrεtündiger Inkubation mit Albuminlöεung nur etwa 80 μg/cm ² .

Beispiel 7 Katalyεator mit chemiεch gebundenem Enzym

Durch die Matrix nach Beiεpiel 6 mit einem Quaternisie- rungεgrad von 35 % wurde eine Lösung von 10 mg/ml Invertase auε Hefe in 0,05 M Na-Carbonatpuffer pH=9,5 filtriert. Nach einer Stunde wurde der nicht chemiεch gebundene Anteil deε Enzymε durch Elution mit 1 M KC1 entferent.

Die Matrix wurde in anεteigenden Flußraten mit einer 0,25 M Löεung von Saccharoεe von pH=4,5 durchεtrömt und die gebil- dete Glucoεemenge nach der Dinitroεalicylat-Methode be- εtimmt. Biε zu einer linearen Strömungεgeschwindigkeit von 0,03 cm/min, entεprechend einer Verweilzeit in der Matrix von 160 Sekunden, wurde 100 % Inverεion, alεo Spaltung in Glucoεe und Fructoεe feεtgestellt. Bei zunehmender Strö- mungsgeεchwindigkeit sank zwar der Inverεionεgrad, die pro Zeiteinheit gebildete Glucoεemenge nahm jedoch zu (εiehe Figur 2). Darauε ergab εich eine maximale katalytiεche Ak¬ tivität der Matrix, bezogen auf die Fläche von 166 μMol/min cm ² bzw. von 498 mMol/h cm ³ , bezogen auf daε Volumen der Matrix.

In einem Vergleichεversuch wurde die Invertaεe-Bindung auf dem nicht teilquaterniεierten gepfropften Träger durchge¬ führt. In dieεem Fall war die Invertase-Aktivität gerade noch nachweiεbar, die maximale katalytische Aktivität be¬ trug aber weniger als 2 % des oben genannten Wertes.

Beispiel 8

Katalysator mit ionisch gebundenem Enzym

Der Versuch wurde identisch wie Beispiel 7 durchgeführt, die Matrix wurde jedoch durch Umsetzung mit Trimethylamin

vollständig quarternisiert. Die maximale katalytische Akti¬ vität betrug in diesem Fall 550 mMol/h cm ³ . Durch Elution mit 1 M KC1 sank die Aktivität auf einen Reεt von etwa 10 % ab und wurde nach neuerlicher Belaεung mit Invertase voll- ständig wiederhergestellt.

Dieseε Beiεpiel zeigt, daß durch Verwendug eineε Adεorbens als Träger für das Enzym eine regenerierbare Matrix für die enzymatische Katalyεe hergeεtellt werden kann, waε wegen der allmählichen Inaktivierung der Enzyme während deε Ge- brauchε von Bedeutung iεt.

Beiεpiel 9

Saurer Katalyεator

Ein nach Beiεpiel 2 gepfropfter Träger wurde analog Bei¬ εpiel 4 εulfoniert und durch mehrfacheε Spülen mit N/10 Schwefelεäure in die H-Form überführt. Durch dieεe Matrix wurde mit εteigenden linearen Strömungεgeεchwindigkeiten eine 50-prozentige Rohrzuckerlöεung von 80 "C gepumpt und die gebildete Glucoεemenge beεtimmt. Die maximale katalyti¬ εche Aktivität wurde bei Strömungεgeεchwindigkeiten über 2,5 cm/min erreicht, was einer Verweilzeit in der Matrix von 1,4 Sekunden entsprach. Bezogen auf das Matrixvolumen betrug die maximale katalytische Aktivität 85 mMol/h cm ³ .

Beispiel 10

Schwermetalladorbenε auf Aminbaεiε

Der gepfropfte Träger nach Beiεpiel 2 wurde 30 Minuten lang mit einer 90-prozentigen wäßrigen Löεung von Diethylentria- min bei 80 ^* C umgeεetzt, wobei der Umεatzungεgrad 100 % be¬ trug.

Die Matrix wurde bei einer linearen Flußrate von 3 cm/min mit einer 0,001 M Kupfer-II-Sulfatlöεung (pH=4,5) biε zum Anεtieg der Cu-Konzentration im Durchlauf auf 10 % deε Aus-

gangswertes beladen, mit RO-Wasεer kurz nachgeεpült, und das gebundene Kupfer mit 1 N HC1 eluiert. Im Eluat wurde das Kupfer mit "Spectroquant Cu" (Merck) bestimmt, woraus sich eine dynamische Bindungskapazität von 0,549 mg/cm ² bzw. 27,5 mg/cm ³ ergibt. Die hydraulische Permeablität der Matrix sank bei der Beladung mit Kupfer um etwa 20 % und stieg nach der Elution wieder auf den Ausgangεwert.

In der mit Cu-beladenen Form erwieε εich die Matrix alε un- geeignet für IMAC.

Beiεpiel 11

Erhöhung der Spezifität eineε Adsorbens durch kurze Ver¬ weilzeit

Eine Lösung von 1,6 mg/ml Rinderserumalbumin und 0,8 mg/ml Rinder-Gammaglobulin in 0,05 M Natriumacetat-Puffer pH= 5,9, mit einem Zusatz von 0,03 M Natriumchlorid wurde mit verschiedenen linearen Strömungsgeεchwindigkeiten durch eine doppelte Lage deε εtark sauren Ionenaustauεcherε nach Beispiel 4 geführt. Die Verweilzeit t des Mediums innerhalb der Matrix wurde unter Zugrundelegung des ursprüngliche Po¬ renvolumens deε Trägers ohne Berücksichtigung des Volumens der gequollenen aufgepfropften Polymerschicht abgeεchätzt. Daε gebundene Protein wurde mit 1 M KCl eluiert, durch Ul¬ trafiltration aufkonzentriert, und durch Folienelektropho- reεe auf Celluloεeacetatmembranen elektrophoretiεch aufge¬ trennt. Nach Färbung mit Amidoεchwarz erfolgte die denεito- metriεche Auεwertung, wobei daε Albumin/Globulin-Verhältnis ermittelt wurde. In einem Paraellversuch wurde daε Albu- min/Globulin-Verhältniε unter Gleichgewichtεbedingungen be- εtimmt, indem die Matrix durch 3 Stunden mit der gleichen Proteionlöεung inkubiert wurde

Albumin/Globulin-Verhältniε

Aufgabenlöεung 2,0

Gleichgewichtsbeladung 1,18 v/cm/min) t (sec)

0,8 2,3 0,90

32 0,058 0,56

64 0,029 0,396

Es ist also möglich, die Spezifität des Adsorbenε durch die Verweilzeit der flüεεigen Phaεe zu beinfluεεen.