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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf durch Bakterien produzierte Cellulosematerialien und ein Polysaccharid
mit neuen Strukturen und Eigenschaften, ihre Kulturverfahren und
ihre Verwendungen.
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STAND DER TECHNIK
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Als Cellulosematerialien produzierende
Bakterien sind Acetobacter-Stämme
(Acetobacter) wie etwa Acetobacter xylinum subsp. sucrofermentans,
das durch den Stamm BPR2001 repräsentiert
wird, Acetobacter xylinum ATCC23768, Acetobacter xylinum ATCC23769,
Acetobacter pasteurianus ATCC10245, Acetobacter xylinum ATCC14851,
Acetobacter xylinum ATCC11142 und Acetobacter xylinum ATCC10821,
Agrobacterium, Rhizobium, Sarcina, Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligenes,
Aerobacter, Azotobacter, Zeuglare, verschiedene Arten von Varianten,
die durch Variation dieser Bakterien durch bekannte Verfahren unter
Verwenden von NTG (Nitrosoguanidin) und dergleichen erzeugt wurden,
und so weiter bekannt.
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Zur Produktivitätssteigerung von Cellulose
mit Acetobacter-Stämmen
gedachte Verfahren sind in einer großen Zahl Patentanmeldungen
einschließlich
der von Biopolymer Research Co., Ltd. eingereichten vorgeschlagen
worden. Verfahren zum Erhalten von Mutanten und Verfahren des Verwendens
kostspieliger und spezieller Mittel werden zum Beispiel in der JP-A-62-265990,
JP-A-63-202394, JP-A-63-74490, JP-A-2-238888, JP-B-6-43443, JP-B-5-1718,
JP-A-7-184677 und JP-A-7-184675 beschrieben. Verfahren zum Kontrollieren
der Kulturbedingungen unter Rühren
werden zum Beispiel in der JP-A-9-94094, JP-A-9-514136 und dergleichen
beschrieben.
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Bei den vorstehend beschriebenen,
bekannten Kulturverfahren wird gleichzeitig eine sehr geringe Menge
wasserlöslichen
Polysaccharids produziert, aber nahezu das gesamte Cellulosematerial
als Hauptprodukt wird als Cellulose mit β-1,4-Glykosidbindungen erkannt und das Verhältnis von
Iα-Kristallen
zu Iβ-Kristallen
((Iα/Iβ) × 100, hierin
nachstehend als Iα-Anteil
bezeichnet), das bei der Cellulo se-Kristallographie verwendet wird,
wird als 64 bis 72% angenommen (SCIENCE, Bd. 223, 283 (1984)). Die
Iα-Kristalle
weisen eine niedrige Oberflächenenergie
wie etwa Benetzbarkeit auf, da, wenn eine spezielle Kristallebene,
insbesondere die (11-0)-Ebene orientiert ist, die Hydroxygruppendichte
in der Kristallebene niedriger als die der Iβ-Kristalle ist. Somit weist
ein Cellulosematerial, das durch herkömmliche Mikroorganismen wie
etwa Acetobacter-Stämme produziert
wurde, bei dem der Iα-Anteil
64 bis 72% hoch ist und die (11-0)-Ebene orientiert ist, im wesentlichen eine
niedrige Oberflächenaktivität auf.
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Einige Patentveröffentlichungen offenbaren Beispiele,
bei denen der Celluloseumwandlungsgrad bezüglich der Zucker, die als Kohlenstoffquellen
verwendet werden, 30% oder größer bei
der Herstellung des Materials auf Cellulosegrundlage bei dem Kulturverfahren
mit Acetobacter-Stämmen
ist. Es kann jedoch angenommen werden, daß der Celluloseumwandlungsgrad
in der Praxis etwas über
20% liegt. Diese bekannten Kulturverfahren sind in ihrer Ausführung kompliziert,
da eine Spinnerkultur im Hinblick auf die Tatsache, daß Acetobacter-Stämme, die
aerobe Bakterien sind, verwendet werden, besondere Einrichtungen
erfordert.
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Im allgemeinen wird eine Spinnerkultur
als industrielles Herstellungsverfahren verwendet und die grundlegende
Morphologie eines hergestellten Cellulosematerials wird im USP-5
144 021 offenbart. Gemäß dem US-Patent
weist das Cellulosematerial eine kugelförmige oder ellipsoide Gestalt
mit einer Größe von etwa 0,1
bis 10 mm als makroskopische Struktur auf. Dessen innere Struktur
ist ein in sich zusammenhängendes Netzwerk
und es wird somit angenommen, daß das Cellulosematerial solche
Eigenschaften aufweist, daß der Verdichtungswiderstand
beim Anfeuchten hoch ist. Ein hoher Verdichtungswiderstand bedeutet
jedoch auch, daß Wasser
schwer ablaufen kann und das Trocknen auf diese Weise schwierig
ist. Da es weiterhin keine Fibrillen gibt, die sich radial um die
vorstehende kugelförmige
oder makroskopische elliptische Struktur erstrecken, kann angenommen
werden, daß zum
gegenseitigen und gleichförmigen
Dispergieren der makroskopischen Strukturen eine beträchtliche
Energie erforderlich ist. Weiterhin ist gemäß der USP-5 144 021 der Kristallinitätsgrad nicht
so hoch, d. h. 70% oder weniger, und es ist somit vorstellbar, daß die Festigkeit
der Cellulose selbst und das Leistungsverhalten beim Kombinieren
mit einem anderen Polymermaterial schlecht sind.
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Ein lockeres Material aus Bakteriencellulose
mit einem Sedimentationsverdichtungsgrad von 0,12 bis 0,20 wird
in der JP-B-2 877 676 offenbart. Dadurch gekennzeichnete Bakteriencellulose,
daß die
dynamische Viskosität
einer wäßrigen Suspension
von 0,1% Bakteriencellulose 1000 cP oder größer ist (30°C, 10 rad/s), wird in der JP-B-2
971 024 offenbart. Diese Offenbarungen wie die der JP-B-6-43443
zeigen, daß Bakteriencellulose
leicht Wasser einschließt
und das herkömmliche
Cellulosematerial hohe Verdickungs- und Dispersionswirkungen aufweist,
aber den Nachteil besitzt, daß beträchtliche
Energie für
das Verarbeiten des Materials zu einem festen Produkt verbraucht
wird. Zum anderen wird die durch Acetobacter-Stämme produzierte Bakteriencellulose
im Handel nur als akustische Schwingplatte verwendet.
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Die Entwicklung von Bakteriencellulose
als Nahrungsmittelzusätze
ist untersucht worden, hat aber zu keiner aktuellen Kommerzialisierung
geführt.
Dies wird als zum Teil der Tatsache zugeschrieben angesehen, daß obschon
die durch Acetobacter-Stämme
produzierten Fibrillen die bemerkenswerte Eigenschaft aufweisen,
im Durchmesser mehrere nm dünn
zu sein, ihre makroskopische Morphologie einfach ein Ellipsoid ist
und verglichen mit anderen Fasermaterialien weit davon entfernt
ist, für
das Verarbeiten von Vorteil zu sein. Weiterhin wird auch als weiterer
Grund erachtet, daß dies
der Tatsache zugeschrieben wird, daß Bakteriencellulose nicht
auf wirklich funktionierende Weise in Kultur produziert worden ist.
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Die Erfinder fanden durch Genanalyse
von 16S-rRNA, daß zu
Enterobacter stark homologe Mikroorganismen (Stamm CJF002) ein celluloseähnliches
Material produzieren und reichten eine Patentanmeldung zur Erfindung
eines Verfahrens zum Anwenden der Mikroorganismen auf die tertiäre Erdölgewinnung (JP-A-2001-321164) ein. In der
Patentanmeldung wird die statische Kultur als bevorzugtes Kultivierungsverfahren
beschrieben und ein Verfahren zum Blockieren eines Wasserspülkanals
eines Erdölgrundgesteins durch
die Produkte der Mikroorganismen wird offenbart, aber die genaue
Struktur, Funktion und dergleichen verschiedener Arten von Kohlenstoffquellen,
die sich auf das hergestellte celluloseähnliche Material beziehen, werden
nicht offenbart.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfinder fanden, daß eine Kultur
unter Verwenden Cellulose produzierender Enterobacter-Bakterien
ein neues Cellulosematerial produzieren kann. Dieses neue Cellulosematerial
weist eine nahezu kugelförmige
Gestalt bei einem Höchstdurchmesser
von mehreren Millimetern auf, wobei anders als bei der ellipsoiden Morphologie
der herkömmlichen,
durch Mikroorganismen produzierten Cellulose Makrofibrillen radial
vom Zentrum zum Umfang gebildet sind. Diese Gestalt wird leicht
von der Kulturbrühe
getrennt, über
einem Filter zur Reinigung gewaschen und zur Bildung eines Folgeprodukts
dispergiert. Es kann ein biologisches Verfahren mit niedrigem Energieverbrauch
bereitgestellt werden und weist die Möglichkeit des Zeigens einer
neuen Funktion auf, die sich von einer speziellen Gestalt ableitet,
die von der des herkömmlichen
Materials verschieden ist. Weiterhin weist das neue Cellulosematerial
der vorliegenden Erfindung einen sehr hohen Kristallinitätsgrad auf
und ist daher bei der Festigkeit der Cellulose selbst und dem Leistungsverhalten
beim Kombinieren mit anderen Polymermaterialien ausgezeichnet.
- (1) Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf kugelförmige
Polymermaterialien, bei denen das Cellulosematerial eines durch
Zuckerkettenverknüpfungen
des β-1,4-Typs
gebildetes, wasserunlösliches
Polysaccharid ist, der Kristallinitätsgrad 70% oder höher ist
und Makrofibrillen radial vom Zentrum zur Umfang gebildet sind.
- (2) Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein
Cellulosematerial, bei dem das Cellulosematerial ein durch Zuckerkettenverknüpfungen
des β-1,4-Typs gebildetes,
wasserunlösliches
Polysaccharid ist, das Zusammensetzungsverhältnis der Glucoseeinheiten
in dem wasserlöslichen
Polysaccharid 85 bis 100% ist und der Iα-Anteil des Cellulosekristallpolymorphismus
mindestens 45% und höchstens
63% ist.
- (3) Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das
Cellulosematerial gemäß vorstehend
(1) oder (2), wobei der durch ein Viskositätsverfahren für eine Cadoxenlösung der
Cellulose bestimmte mittlere Viskositätspolymerisationsgrad 3500
oder höher
ist.
- (4) Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das
Cellulosematerial gemäß einem
aus vorstehend (1) bis (3), das durch Kultivieren von Enterobacter-Mikroorganismen,
Mutanten davon oder Subkultur-Mikroorganismen davon erhalten wird.
- (5) Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das
Cellulosematerial gemäß vorstehend
(4), wobei der vorstehend beschriebene Enterobacter-Mikroorganismus
vom Stamm CJF002 ist.
- (6) Weiter bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren
zum Herstellen des Cellulosematerials gemäß einem aus vorstehend (1)
bis (3), das das Beimpfen eines Kulturmediums mit wenigstens einem
aus der Gruppe bestehend aus Enterobacter-Mikroorganismen, Mutanten
davon und Subkultur-Mikroorganismen davon in einer Menge von 103 bis 107/ml und
anschließend
Kultivieren der Mikroorganismen unter Rühren bei einer Temperatur von
mindestens 20°C
und höchstens
45°C unter
Verwenden von Zuckern als Kohlenstoffquelle umfaßt.
- (7) Weiter bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen
Verbund aus dem Cellulosematerial gemäß vorstehend (1) bis (3) und
(einem) anderen Polymermaterial(ien) und/oder einem Metall und/oder
einem Metalloxid.
- (8) Weiter bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine
Gruppe wasserlöslicher
Polysaccharide mit Glucose, Galactose und Fucose als andere Hauptbestandteile
als carboxylierte Zucker, die durch Beimpfen eines Kulturmediums
mit wenigstens einem ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Enterobacter-Mikroorganismen, Mutanten
davon und Subkultur-Mikroorganismen davon in einer Menge von 103 bis 107/ml und anschließend Kultivieren
der Mikroorganismen bei einer Temperatur von mindestens 4°C und höchstens 30°C unter Verwenden
von Zuckern als Kohlenstoffquelle erhalten werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine optische Mikrophotographie (wobei die Maßstabsleiste 1 mm darstellt)
eines Cellulosematerials der vorliegenden Erfindung, das durch Rührkultur
erhalten wurde (Rühren
durch einen Rotator);
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2 ist
eine optische Mikrophotographie (wobei die Maßstabsleiste 1 mm darstellt)
eines Cellulosematerials der vorliegenden Erfindung, das durch Rührkultur
(Lufteinblasen) erhalten wurde;
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3 ist
eine Scanningelektronenmikrophotographie (wobei die Maßstabsleiste
3 μm darstellt)
eines Cellulosematerials der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine optische Mikrophotographie (wobei die Maßstabsleiste 5 mm darstellt)
eines Verbunds aus dem Cellulosematerial/anorganischen Material
der vorliegenden Erfindung, der durch Rührkultur mit zugesetztem Aluminiumoxid
erhalten wurde;
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5 ist
eine Scanningelektronenmikrophotographie (wobei die Maßstabsleiste
3 μm darstellt)
eines Verbunds aus dem Cellulosematerial/anorganischen Material
der vorliegenden Endung, der durch Rührkultur mit zugesetztem Aluminiumoxid
erhalten wurde;
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6 zeigt
ein Festkörper-13C-NMR-Spektrum
von Cellulosematerialien der vorliegenden Erfindung und
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7 zeigt
ein Breitwinkel-Röntgenbeugungsspektrum
eines Cellulosematerials der vorliegenden Erfindung.
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BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE
DER ERFINDUNG
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In einem bevorzugten Aspekt ist ein
neues Material der vorliegenden Erfindung ein Cellulosematerial, dadurch
gekennzeichnet, daß das
Cellulosematerial ein wasserunlösliches
Polysaccharid ist, das durch Zuckerkettenverknüpfungen des β-1,4-Typs
gebildet wird, daß es
durch Enterobacter-Mikroorganismen, zum Beispiel den Stamm CJF002,
Mutanten davon oder Subkultur-Mikroorganismen produziert wurde,
daß das
Zusammensetzungsverhältnis
der Glucoseeinheiten 85 bis 100% ist, daß der Kristallinitätsgrad 70%
oder höher ist,
daß der
Iα-Anteil,
der bei der Cellulose-Kristallographie verwendet wird, verglichen
mit der herkömmlichen, durch
Acetobacter-Stämme
produzierten Bakterienglucose auf einem niedrigen Wert gehalten
wird und daß die
Morphologie die einer Kugel ist, bei der Makrofibrillen radial vom
Zentrum zur Peripherie gebildet sind.
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Das Cellulosematerial der vorliegenden
Erfindung kann außer
den Zuckerkettenverknüpfungen
des β-1,4-Typs
1,2-Bindungen, 1,3-Bindungen und 1,6-Bindungen aufweisen. Diese
Bindungen können
in einer Molekülkette
enthalten sein oder im Mischzustand mit anderen wasserunlöslichen
Polysacchariden als Cellulose (ein aus sich wiederholenden β-1,4-Glucopyranoseeinheiten
bestehendes Polymer) durch Wasserstoffbindung und dergleichen vorliegen.
Andere Zuckerbestandteile als Glucose sind nicht spezifisch eingeschränkt und
schließen
verschiedene Arten Hexosen, Pentosen und carboxylierte Zucker ein,
sind aber oft Galactose und Mannose.
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Bei dem bevorzugten wasserunlöslichen
Cellulosematerial der vorliegenden Erfindung liegt der genau als
Struktur zu beschreibende Iα-Anteil
in einem Bereich von 45 bis 63%, üblicherweise ungefähr 50%,
was kleiner ist als der von durch Acetobacter-Stämme produzierter Cellulose;
d. h. 64 bis 72%, und der Kristallinitätsgrad ist 70% oder höher, insbesondere
in einigen Fällen
mehr als 90%.
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Weiterhin besteht das Cellulosematerial
der vorliegenden Erfindung aus Fibrillen mit einem sehr kleinen
Durchmesser von mehreren zehn nm und ein aus dem Cellulosematerial
hergestelltes bahnenförmiges Material
weist eine sehr große
Anzahl an Verfilzungspunkten auf und seine mechanische Festigkeit
ist auf diese Weise sehr hoch. Eine Struktur der durch Acetobacter-Stämme produzierten
Cellulose wird im USP-5 144 021 beschrieben, aber den Ansprüchen zufolge
ist ihr Kristallinitätsgrad
70% oder weniger und es ist daher vorstellbar, daß ihre mechanische
Festigkeit niedriger als die des Cellulosematerials der vorliegenden
Erfindung ist. Der darin beschriebene Kristallinitätsgrad ist
ein aus einem Festkörper-13C-NMR bestimmter Wert und die Einzelheiten
seiner Definition und Messung werden nachstehend beschrieben. Der
Kristallinitätsgrad
wird im allgemeinen durch Röntgenbeugung
bestimmt, aber im Fall der auf herkömmliche Weise von Mikroorganismen
produzierten Cellulose und der vorliegenden Erfindung ist die Messung
des Kristallinitätsgrads
durch Röntgenbeugung
nicht geeignet, da eine spezielle Kristallebene selektiv orientiert
ist.
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Falls eine Kohlenstoffquelle bei
der Kultur Molasse ist, wird der Anteil der Glucoseeinheiten an
der Zusammensetzung verringert, ist aber nicht kleiner als 85%.
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Wenn weiterhin die Kohlenstoffquelle
Sucrose oder Glucose allein ist, gibt es einige wenige Fälle, bei denen
der Anteil der Glucoseeinheiten an der Zusammensetzung 100% ist
und er ist in den meisten Fällen etwa
98%.
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Da der Iα-Anteil niedrig ist und Galactosereste
und Mannosereste in die Molekülkette
eingeführt
werden, weist das Cellulosematerial der vorliegenden Erfindung sowohl
Eigenschaften wie etwa eine verbesserte Verarbeitbarkeit, Gemischbildung
mit anderen Polymeren, Gemischbildung mit Metallen und Metalloxiden
und Haftung an anderen Materialien als auch die Fähigkeit
auf, ein Protein zu erkennen oder nicht zu erkennen, was für die herkömmliche
Bakteriencellulose, deren Eigenschaften wie etwa Transparenz und
mechanische Festigkeit genützt
wurden, überhaupt
nicht erwartet werden konnte. Dies bedeutet selbstverständlich nicht, daß die Anwendung
des Cellulosematerials der vorliegenden Erfindung auf herkömmlichen
Gebieten nicht möglich
ist.
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Weiterhin weist das Cellulosematerial
der vorliegenden Erfindung Kristallkomponenten von Cellulose II
auf. Die Kristalloberfläche
von Cellulose II weist die Kristallebene (11-0), auf der Hydroxygruppen
selektiv auftreten, und die Kristallebene (110) auf, auf der Wasserstoffatome
selektiv auftreten, was zu einem Kristalltyp führt, der im wesentlichen zur
Gemischbildung geeignet ist.
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Der Anteil der Glucoseeinheiten an
der Zusammensetzung des Cellulosematerials der vorliegenden Erfindung
kann durch den Anteil der als Kohlenstoffquelle verwendeten Zuckerkomponenten
und die Kulturbedingungen gesteuert werden. Falls die Anzahl der
Zuckertypen, die als Kohlenstoffquelle verwendet werden, erhöht wird,
sind die Zuckerbestandteile des erhaltenen Cellulosematerials im
Prinzip verschiedenartig. Zum Erhöhen der Menge der Glucosekomponenten
kann Glucose als Kohlenstoffquelle verwendet werden.
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Das Cellulosematerial der vorliegenden
Erfindung kann weiterhin durch die Anwendung einer synchronisierten
Kultur so aufgebaut sein, daß es
nahezu denselben Polymerisationsgrad aufweist. Der Polymerisationsgrad
zum Zeitpunkt der Entnahme des Produkts ist nicht besonders begrenzt,
ist aber vorzugsweise etwa 300 oder mehr.
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Falls das Cellulosematerial der vorliegenden
Erfindung mechanische Festigkeit aufweisen soll, ist es bevorzugt,
den Polymerisationsgrad auf 3500 oder mehr einzustellen. Der in
der vorliegenden Erfindung beschriebene Polymerisationsgrad ist
jedoch ein Wert, der durch Anwendung des Cadoxenverfahrens auf Cellulose
erhalten wurde und er ist insbesondere, wenn der Anteil der Glucose
an der Zusammensetzung niedrig ist, ein ungefährer Wert.
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Das Cellulosematerial der vorliegenden
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen kugelförmige Körper mit
einem Höchstdurchmesser
von mehreren Millimetern, die radial vom Zentrum zum Umfang Makrofibrillen
bilden, unabhängig
vorliegen oder miteinander verbunden sind. Die Größe jedes
kugelförmigen
Körpers
und die Form jeder Makrofibrille kann durch die Rührkulturbedingungen
gesteuert werden.
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Als Rührkultur kann eine Rotationskultur,
bei der sich ein Rührblatt
dreht, eine Schüttelkultur,
bei der ein Behälter
hin- und herbewegt oder gedreht wird, und eine Rührkultur durch Lufteinblasen
angewendet werden.
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Ein Beispiel des kugelförmigen Körpers des
Cellulosematerials der vorliegenden Erfindung wird durch kugelförmige Kerne
und kegelförmige
Komponenten dargestellt, die sich wie in 1 dargestellt radial vom Kern erstrecken.
Die kegelförmigen
Komponenten und der Kern sind an den Spitzen der kegelförmigen Komponenten
miteinander verbunden und an den unteren Enden der kegelförmigen Komponenten
wird faserförmiges
Material beobachtet. Die Höhe
der kegelförmigen
Komponenten ist nahezu gleich dem Radius des Kerns. Diese Form wird
durch Rührkultur
bei niedriger Geschwindigkeit erhalten. Die Rührkulturbedingungen bei niedriger
Geschwindigkeit hängen
von der Apparatur, insbesondere der Größe und Gestalt des Rührblatts ab
und können
nicht vorbehaltlos definiert werden. Falls die Rührgeschwindigkeit zu niedrig
ist tritt ein solches Problem auf, daß sich aus dem sich daraus
ergebenden Cellulosematerial ein zusammenhängendes Gelmaterial bildet
und sich mit dem Rührblatt
verheddert. Falls die Rührgeschwindigkeit
zu hoch ist, wird ein streifenartiges Cellulosematerial erhalten,
dessen Gestalt sich in Form eines Breis, Schuppen oder dergleichen
mit unterschiedlichen Größen ändert. Als
zum Beispiel ein Rührblatt
mit einem Durchmesser von 60 mm verwendet wurde, wurde bei einer
Umdrehungsgeschwindigkeit von 50 Upm bis 200 Upm die in 1 dargestellte Morphologie
erhalten. Ein weiteres Beispiel wird in 2 dargestellt. Die Makrofibrillen erstrecken
sich in Längsrichtung
auf eine Länge
von etwa 1 mm radial von einem kugelförmigen Kern mit einem geringfügig kleineren
Durchmesser als 1 mm. Diese Morphologie wurde durch Lufteinblasen
erhalten und die eingeblasene Luftmenge beträgt 1 m3/Minute
Luft auf 1 m3 Kulturlösung.
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Die Größe des kugelförmigen Kerns
des kugelförmigen
Körpers
ist 0,1 mm bis mehrere Millimeter, wird aber wie in 1 dargestellt sehr gleichförmig, wenn
die Herstellungsbedingungen dieselben sind. Der kugelförmige Körper wird
leicht durch ein grobes Sieb abgetrennt und leicht gereinigt. Der
kugelförmige
Körper
kann zum Beispiel durch einfaches Pressen beträchtlich entwässert werden,
so daß er
so wie er ist (mit mehr oder weniger eingeschlossenem Wasser) zu
einem Produkt verarbeitet werden kann oder leicht getrocknet werden kann,
während
er abgetragen wird. In Abhängigkeit
von der endgültigen
Verwendung können
Arbeitsschritte zur Proteinentfernung unnötig sein, was zu einer beträchtlichen
Kostenverringerung führt.
Falls Arbeitsschritte zur Proteinentfernung erforderlich sind, können Proteine
durch Behandlung mit Protease, einem Tensid oder durch oxidatives
Bleichen entfernt werden. In einigen Fällen kann eine niedrig konzentrierte,
wäßrig-alkalische Lösung verwendet
werden. Weiterhin ist die herkömmliche,
durch Acetobacter-Stämme
produzierte Cellulose ein schuppiges, streifen-ähnliches
und gelartiges Material und verstopft daher leicht ein Maschensieb,
was es schwierig macht, den vorstehend beschriebenen Schritt durchzuführen.
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Mikroskopisch setzt sich der kugelförmige Körper aus
Mikrofibrillen mit einer Größe von 20
bis 100 nm zusammen. Da der kugelförmige Körper aus diesen Mikrofibrillen
besteht, ist die Oberfläche
des kugelförmigen Körpers sehr
groß.
Die durch das Stickstoffabsorptionsverfahren (BET-Verfahren) gemessene
Oberfläche
ist ungefähr
50 bis 150 m2/g groß, was ungefähr 100 Mal
so groß wie
die Oberfläche
gewöhnlichen
Zellstoffs ist. Aufgrund der sehr großen Oberfläche ist der kugelförmige Körper des
Cellulosematerials der vorliegenden Erfindung für einen Träger, ein Adsorbens und dergleichen
geeignet und kann direkt in eine Säule oder dergleichen unter
Ausnützen
seiner Aegagropila-ähnlichen
Form gefüllt
werden. Das wasserunlösliche
Cellulosematerial der vorliegenden Erfindung ist in der Morphologie
deutlich verschieden von der herkömmlichen, durch Acetobacter- Stämme produzierten
Cellulose, die im wesentlichen ein Gel ist, beträchtliche Energie für sein Eindampfen
und Trocknen erfordert und unter industriellem Gesichtspunkt wertvoll
ist.
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Der Durchmesser des kugelförmigen Körpers mit
der Aegagropila-ähnlichen
Form als Grundmorphologie kann gemäß der Anfangskonzentration
der eingeimpften Bakterien, der Größe des Kulturbades und der Rührgeschwindigkeit
empirisch bestimmt werden.
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Die Anfangskonzentration der eingeimpften
Bakterien kann geeignet gewählt
werden und die geeignete Konzentration ist etwa 103 bis
107/ml. Der pH des Kulturmediums ist nicht
besonders eingeschränkt
und liegt in einem Bereich von 2,2 bis 9,5, vorzugsweise 5,0 bis
8,0. Die geeignete Temperatur liegt in einem Bereich von 20 bis
45°C. Bei
dem Verfahren der Herstellung des Cellulosematerials der vorliegenden
Erfindung in Kultur werden gleichzeitig nachstehend beschriebene,
wasserlösliche
Polysaccharide der vorliegenden Erfindung produziert und das Halten
der Kultur bei einer hohen Temperatur, z. B. 20°C oder höher, ist zum Verbessern der
Ausbeute an dem Cellulosematerial bevorzugt.
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Die Morphologie des kugelförmigen Körpers auf
mikroskopischer Ebene (wie sie durch ein Elektronenmikroskop beobachtet
wird) ist eine kennzeichnende Morphologie, bei der eine große Anzahl
flacher Mikrofibrillen stark zusammen miteinander verschlungen ist
und runde Poren in einer Phasentrennungsstruktur gegenseitig verknüpft sind
(3). Hier bezieht sich
die runde Pore in Phasentrennung auf eine flache Porenstruktur, die
in einem schlechten Lösungsmittel
gebildet wurde, bevor sich Polymerteilchen bilden konnten, d. h.
als die Polymerkonzentration sich bei einer kritischen Konzentration
oder darunter befand. Wenn die Polymerkonzentration höher als
die kritische Konzentration in dem schlechten Lösungsmittel ist, werden Primärteilchen
aus dem Polymer unter Bilden einer Struktur erzeugt, bei der die
Teilchen miteinander verknüpft
sind. Im USP-5 144 021 (1992) beschriebene Bakteriencellulose weist
eine zu der vorstehenden Struktur ähnliche Struktur auf, wobei
die Primärteilchen
miteinander verknüpft
sind.
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Dank einer derartigen charakteristischen
Morphologie ist das gereinigte Cellulosematerial der vorliegenden
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine sehr niedrige
Anschlämmungsviskosität aufweist,
wenn es wieder in Wasser dispergiert wird und kann bei einer zweiten
Verarbeitung anders als die sogenannte Bakteriencellulose, die herkömmlicherweise
aus Acetobacter-Stämmen
stammt, leicht gehandhabt werden. Zum Beispiel ist der Sedimentationsverdichtungsgrad
einer wäßrigen Dispersion
(0,1 Gew.-%) von aus Acetobacter-Stämmen stammender
Bakteriencellulose 0,12 bis 0,20, während der des Cellulosematerials
der vorliegenden Erfindung so niedrig ist, daß er nur unter 0,12 ist. Dies
bedeutet, daß die
Naßverdichtbarkeit
hoch ist. Deshalb ist das Cellulosematerial der vorliegenden Erfindung
zum Beispiel bei der Herstellung eines sehr dünnen Bogens vorteilhaft und
erfordert nur wenig Energie zum Trocknen. Der Sedimentationsverdichtungsgrad
ist hierin das Verhältnis
(B/A) des Sedimentationsvolumens (B ml) der Cellulose nach 30 Minuten
Zentrifugieren einer Anschlämmung
bei 1700 g zu dem ursprünglichen
Volumen der Anschlämmung
(A ml). Weiterhin ist die dynamische Viskosität einer 0,1% wäßrigen Suspension
von abgelöstem
Bakteriencellulosematerial, das aus Acetobacter-Stämmen stammt,
1000 cP oder mehr (30°C,
10 rad/S), während
die des Cellulosematerials der vorliegenden Erfindung nur 200 cP
niedrig ist. Dank derartiger Eigenschaften kann das Cellulosematerial
der vorliegenden Erfindung sehr leicht zu verschiedenen Arten Bahnen
und Separatoren verarbeitet werden. Diese Eigenschaften werden als
das Ergebnis hauptsächlich
seiner charakteristischen Morphologie angesehen, sie können aber
auch mit der Orientierung der OH-Gruppen auf der Oberfläche der
Monofibrillen und des kleinen Iα-Anteils
von 50 bis 60% in Verbindung gebracht werden.
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Das neue Cellulosematerial der vorliegenden
Erfindung ist als Material zum Bilden eines Verbunds mit einem anderen
Polymermaterial als Cellulose oder einer anorganischen Substanz
wie etwa ein Metall oder Metalloxid geeignet.
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Polymere zur Verwendung bei der Bildung
von Verbünden
schließen
zum Beispiel allgemeine hydrophobe Polymere wie etwa Polyethylene
(PE), Polypropylene (PP) und Polystyrole (PS), hydrophile Polymere wie
etwa Polyalkylenoxide (PAO) und Hochleistungskunststoffe wie etwa
Polysulfone (PSu), Polyamide (PA), Polyester (PET) und Polyimide
(PI) ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Gemische mit diesen Polymeren können hergestellt
werden. Insbesondere das Cellulosematerial der vorliegenden Erfindung
wird so eingestellt, daß es
einen niedrigeren Iα-Anteil
als den aus Acetobacter-Stämmen
herrührender
Cellulose aufweist, was zu einer Verbesserung des Gleichgewichts
der Orientierung der OH-Gruppen des Cellulosematerials führt und
es wird im Prinzip leicht mit verschiedenen Arten Polymere kombiniert.
Von Galactose wird behauptet, daß sie Proteine und dergleichen
selektiv erkennt und das Vorhandensein von Galactose als Zuckerbestandteil
macht die Kombination mit Proteinen und dergleichen leichter. Somit
wird das Cellulosematerial verhältnismäßig leicht
mit verschiedenen Polymerarten in Gegenwart einer kleinen Menge
eines hydrophilen Lösungsmittels und/oder
eines hydrophoben Lösungsmittels
kombiniert und kann als brauchbares funktionelles Material oder industrielles
Material entwickelt werden. Selbstverständlich kann ein aus dem bei
der vorliegenden Erfindung verwendeten Bakterium stammendes Protein
als damit zu kombinierendes Material benützt werden und trägt auf diese
Weise zur Kostenverringerung bei den Materialien und Verfahren zur
Kombination zusammen mit einer wirkungsvollen Nutzung eines Kultursystems
bei. Weiterhin weist das Cellulosematerial der vorliegenden Erfindung
Mikrofibrillen mit einer Größe von etwa
50 nm als Grundeinheiten auf und daher ist die Bildung eines Verbunds
auf Nanoebene möglich.
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Beispiele anorganischer Substanzen
wie etwa Metalle und Metalloxide zur Verwendung beim Bilden eines
Verbundes mit dem Cellulosematerial der vorliegenden Erfindung,
wasserlöslichen
Polysacchariden oder diesen Gemischen schließen Gold, Silber, Kupfer, Platin,
Palladium, Aluminium, Eisen, Bismut und Magnesium oder Legierungen
davon und Oxide davon ein, die magnetische Materialien, dielektrische
Materialien, Reaktionskatalysatoren und dergleichen sind. Verfahren
zum Bilden eines Verbundes können
ein Verfahren unter Verwenden von Kugelmühlen mit hoher Beschleunigung,
ein Verfahren unter Verwenden eines Banbury-Mischers, ein sich wiederholendes
Walzverfahren des vielmals wiederholten Durchführens eines Hochdruckpressens
und ein Naßdispergierungsverfahrens
zum Bilden eines Verbunds in einer Polymerlösung einschließen, sind
aber nicht speziell darauf beschränkt.
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Als geeignetes Verfahren zum Bilden
eines Verbunds wird eine anorganische Substanz zuerst in einer derartigen
Kulturlösung
dispergiert oder die anorgani sche Substanz wird der Kulturlösung zu
irgendeinem Zeitpunkt nach Kulturbeginn zugesetzt, wodurch ein neuer
Verbund aus durch einen Mikroorganismus produzierter Cellulose/anorganischen
Substanz, der im wesentlichen die Morphologie der vorliegenden Erfindung
erhält, produziert
wird. Beispiele anorganischer Substanzen, die geeignet verwendet
werden, schließen
anorganische Oxide oder Hydroxide, die beim Ladungsnullpunkt von
pH 7 oder mehr ein Kolloid bilden können, zum Beispiel α-Aluminiumoxid, γ-Aluminiumoxid,
Boehmit, Bayerit, Berylliumoxid, Cadmiumoxid, Cadmiumhydroxid, Cobalthydroxid,
Kupferoxid, Eisenhydroxid, α-Eisenoxid, γ-Eisenoxid,
Lepidocrocit, Bleihydroxid, Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid, Manganhydroxid,
Thalliumoxid, Vanadiumoxid, Zinkoxid und Lanthanoxid ein. Weiterhin
werden als andere Beispiele anorganische Oxide oder Hydroxide, die
beim Ladungsnullpunkt von pH 7 oder weniger ein Kolloid bilden können, zum
Beispiel Aluminiumverbindungen wie etwa Diaspor und Gibbsit, Eisenhydroxide
wie etwa Goethit, Siliziumoxid, Zinnoxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid,
andere Titanate als Alkalimetallsalze, andere Zirkonate als Alkalimetallsalze
und dergleichen geeignet verwendet. Da sie die Viskosität des Kulturmediums
kaum erhöhen,
sind die Menge und die Teilchengröße bei ihrem Zufügen zum
Kulturmedium nicht eingeschränkt
und können
durch den Fachmann für
die Kulturtechnik geeignet ausgewählt werden. Falls jedoch die
Menge oder Größe groß sind und
ein gleichmäßig dispergierendes
Mischen mit dem produzierten Cellulosematerial gewünscht wird,
sollten die Luftdurchlässigkeit
und das Rühren
verstärkt
werden. Diese Verbände
können
es erlauben, daß die
für die
anorganischen Substanzen spezifische Funktion wirkungsvoll gezeigt
wird. Falls diese anorganischen Materialien mit dem Cellulosematerial
in Form von Verbünden
gemischt werden, weisen sie die Wirkung des Erleichterns der Mikrodispergierung
auf und können
ihre Verstärkungsfunktion
auf das Cellulosematerial ausüben.
Zum Beispiel können
Verbünde
mit Aluminiumoxid als Rohmaterialien für Schleifmaterialien, Katalysatorträger, Gasreinigungsfilter,
Flüssigkeitsreinigungsfilter, Trennfilter,
Absorptions- und Trennmaterialien für organische Lösungsmittel,
insbesondere organische Lösungsmittel
auf Chlorgrundlage, Tintenabsorptionsmaterialien, feuchtigkeitsregulierende
Mittel und dergleichen verwendet werden. Verbünde mit Titanoxid können als
UV-Absorber und Photokatalysatormaterialien verwendet werden. Verbünde mit
Bariumcarbonat können
als Rohmaterialien für
Röntgenstrahlenabschirmungen
und ferroelektrische Materialien verwendet werden. Verbünde mit
Zirkoniumoxid können
als Rohmaterialien für
niedrig wäremeleitfähige Mate rialien
und stark doppelbrechende Materialien verwendet werden. Verbünde mit
Cobaltoxiden können
als Rohmaterialien für
paramagnetische/niedrig elektrisch leitfähige Materialien verwendet
werden. Verbünde
mit Bariumtitanat können
als Rohmaterialien für
ferroelektrische Materialien verwendet werden. Verbünde mit γ-Ferrit können als
Rohmaterialien für
ferroelektrische Materialien verwendet werden. Weiterhin können Verbünde mit
Zinkoxid als Rohmaterialien für
Katalysatoren, Grundlagen lichtempfindlicher Materialien und Rohmaterialien
für die
Kautschukhärtung
verstärkende
Materialien verwendet werden.
-
Die bei dem Kulturverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung erhaltenen Verbünde
aus Cellulosematerial/anorganischer Substanz werden von dem Kulturmedium
in Form der Verbünde
abgetrennt und können
selbst in der Endstufe als letztendliche Rohmaterialien im ursprünglichem
Zustand des Verbunds verwendet werden. Daher werden die Kosten für das Entsorgen
der Abfallflüssigkeit
je Mengeneinheit der Produkte beträchtlich verringert.
-
Diese Verbünde können die Funktion eines zugesetzten
anorganischen Oxids wirkungsvoller zeigen. Zum Beispiel können Verbünde mit α-Aluminiumoxid, γ-Aluminiumoxid, Cobalthydroxid,
Vanadiumoxid und dergleichen als verschiedene Arten Katalysatorträger zur
Verwendung in einem wäßrigen Medium
und Nanodispersionsschleifmaterialien verwendet werden; Verbünde mit
Zinkoxid können
als Grundmaterialien einer Elektrolumineszenzdispersion verwendet
werden; Verbünde
mit Titanoxid können
als Photokatalysatorgrundmaterialien verwendet werden und Verbünde mit
Bariumtitanat können
als stark dielektrische Grundmaterialien verwendet werden.
-
Das Cellulosematerial der vorliegenden
Erfindung weist verschiedene Eigenschaften wie etwa eine feine Mikrofibrillenstruktur
mit einer Größe von 50
bis 100 nm, eine äußerst große spezifische
Oberfläche,
ein ausgezeichnetes Proteinabsorptionsvermögen, einen kleinen linearen
Ausdehnungskoeffizienten und einen hohen elastischen Koeffizienten
auf und kann daher zu verschiedenen Anwendungen außer der
hierin beschriebenen Gemischbildung verwendet werden. Als Anwendungen
können
daraus zum Beispiel Vliesstoffe, Absorbentien, Proteinabsorbentien
wegen der besonders starken Wechselwirkung mit Proteinen, Trennmembranen,
Kunsthäute,
Träger,
Wasserrückhaltemittel,
Verdicken, Dispersions- /Suspensionsstabilisatoren,
Lebensmittelmaterialien und dergleichen entwickelt werden. Es kann
auch zu mikroporösen
Membranen, Schäumen,
Kautschuken, Latices, Klebstoffen und dergleichen als Bestandteile
von Verbundmaterialien verwendet werden. Zu diesen Anwendungen kann
die herkömmliche,
durch Acetobacter produzierte Glucose in gewissem Ausmaß verwendet
werden. Es ist jedoch offensichtlich, daß das Cellulosematerial gemäß der vorliegenden
Erfindung mit anderen Materialien stark wechselwirkt und somit bei
den vorstehend beschriebenen Anwendungen wirkungsvoller als die
herkömmliche
Cellulose ist, da es einen niedrigen Iα-Anteil und folglich eine hohe
OH-Gruppendichte auf der Oberfläche
und eine hohe Oberflächenaktivität aufweist
und Galactosereste und Mannosereste enthält.
-
Ein Verfahren zum Herstellen des
Cellulosematerials der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
-
Der Gattung Enterobacter angehörende, Cellulose
produzierende Bakterien können
als Cellulosematerial produzierende Bakterien zur Verwendung in
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es können zum
Beispiel ein CJF002-Stamm,
Subkultur-Mikroorganismen davon, verschiedene Arten von Mutanten,
die durch Mutieren dieser Mikroorganismen durch wohlbekannte Verfahren
unter Verwenden von NTG (Nitrosoguanidin) oder dergleichen erzeugt
wurden, und so weiter verwendet werden. Hier bezieht sich CJF002-Stamm
auf einen Enterobacter-Mikroorganismusstamm, der als „Enterobacter
sp. CJF-002" beim
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology,
International Patent Organism Depository (IPOD), das sich in Central
6, 1-1-1, Higashi, Tsukuba, Ibaraki, Japan, befindet, als Ersthinterlegung
am 29. März
2000 hinterlegt wurde und am 1. November 2002 von der Ersthinterlegung
in eine Hinterlegung gemäß dem Budapester Übereinkommen
unter der Zugangsnr. „FERM
BP-8227" überführt wurde.
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Es besteht der Vorteil, daß Bakterien,
die das Cellulosematerial der vorliegenden Endung produzieren können, wahlfreie
anaerobe Bakterien sind und somit ungeachtet der Anwesenheit oder
Abwesenheit von Sauerstoff (Luft) kultiviert werden können. Als
Kulturmedium können
verschiedene Arten synthetischer und natürlicher Kulturmedien verwendet
werden. Zuckerhaltige Kulturmedien sind be vorzugt. Kohlenstoffquellen
schließen
Glucose, Fructose, Galactose, Maltose, Sucrose, Levan, Mannit, Sorbit,
Erythrit, Glycerin, Ethylenglykol, Stärke, Sirup, Maiseinweichwasser,
Malzextrakte und Stärkehydrolysate
ein. Insbesondere im Fall des CJF002-Stamms können verschiedene Arten organischer
Säuren
aus Fruchtsäften
wie etwa Citrusmolassen, Zuckerrübenmolassen,
Zuckerrohrmelassen, Zuckerrübensäfte und
Zitrusfrüchte
als sogenannte Molassen, die wohlfeil sind, aber nicht bei herkömmlichen
Acetobacter-Stämmen
verwendet werden können,
allein oder im Gemisch aus zweien oder mehreren verwendet werden.
Als Stickstoffquelle können
anorganische Stickstoffquellen wie etwa Ammoniumsalze und Nitrate
und organische Stickstoffquellen wie etwa Fermentationsmedien, Peptone,
Sojabohnenpulver, Fleischextrakte, Caseine, Harnstoff und Sojabohnenmilch
allein oder im Gemisch aus zweien oder mehreren verwendet werden.
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Zu dem Kulturmedium können Aminosäuren, Vitamine
und Fettsäuren
oder organische Spurennährstoffe
oder Phosphate, Eisensalze, Mangansalze und andere Metallsalze als
anorganische Salze allein oder als Gemisch zweier oder mehrerer
Typen geeignet verwendet werden.
-
Da Enterobacter-Mikroorganismen zur
Verwendung bei der vorliegenden Erfindung, zum Beispiel Mikroorganismen
des Stamms CJF002, Mutanten davon oder Subkultur-Mikroorganismen
wahlfreie anaerobe Bakterien sind, läuft die Kultur ungeachtet aerober
oder anaerober Bedingungen unter Produzieren einer Gruppe von Cellulosematerialien
der vorliegenden Erfindung ab. Die Kulturform ist nicht eingeschränkt und
im Prinzip kann ein wohlbekanntes Verfahren zur Verwendung bei der
Kultur von Mikroorganismen zum Durchführen der Kultur verwendet werden.
Zum Beispiel können
Mittel und Geräte
wie etwa Rührtanks,
die zum Beispiel einen Becherfermenter und einen Tank, einen Kolben
mit einem Strömungsstörer, einen
Sakaguchi-Kolben und einen Rührtank
des Air-lift-Typs, ein pumpenbetriebener Kreislauf der Kulturbrühe und eine
Schüttelkultur, bei
der der Behälter
selbst hin- und herbewegt und gedreht wird, zufällig ausgewählt, kombiniert und verwendet werden.
Weiterhin kann eine Rührkultur
durchgeführt
werden, während
bei Bedarf gleichzeitig Gas eingeblasen wird. Zum Einblasen von
Gas kann zum Beispiel ein sauerstoffhaltiges Gas wie etwa Luft oder
zum Beispiel sauerstofffreies Gas wie etwa Argon oder Stickstoff
verwendet werden. Ein derar tiges Gas kann vom Fachmann in Abhängigkeit
von den Bedingungen des Kultursystems geeignet ausgewählt werden.
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Weiterhin kann bei dem Kulturverfahren
ein wohlbekanntes Verfahren, zum Beispiel ein absatzweises Fermentationsverfahren,
wiederholtes, absatzweises Fermentationsverfahren, kontinuierliches
Fermentationsverfahren oder dergleichen verwendet werden. Bei der
vorliegenden Erfindung ist ein besonders bevorzugtes Kulturverfahren
eine aerobe Rührkultur.
Bei einer statischen Kultur wird das Cellulosematerial der vorliegenden
Erfindung üblicherweise
in Gelform produziert und somit sind die Reinigung und dessen Ablösen schwierig.
Besondere Betonung sollte jedoch auf den Vorteil gelegt werden,
daß bei
der Herstellung des Cellulosematerials durch Mikroorganismen des
Stammes CJF002, Mutanten davon oder Subkultur-Mikroorganismen die
Wahrscheinlichkeit, daß Bakterien
in dem erzeugten Gel verborgen sind, anders als bei Acetobacter-Stämmen niedrig
ist und deshalb die Reinigung verhältnismäßig leichter verglichen mit
der Produktion durch Acetobacter-Stämme ist.
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Die speziellen Eigenschaften bieten
einen Vorteil, wenn die Rührkultur
bei niedriger Geschwindigkeit ausgeführt wird. Es kann ein sehr
spezielles, in der Photographie von 1 dargestelltes,
unabhängiges Trennmaterial
(Aegagropila-ähnliche
Form) erzeugt werden. Dies ist äußerst vorteilhaft,
da die Bakterien allein durch Spülen
entfernt werden können,
was in Abhängigkeit
von der endgültigen
Verwendung zu einer bedeutenden Kostenverringerung führt.
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Bei aktuellen Kulturen kann die Bakterienanfangskonzentration
geeignet ausgewählt
werden, aber die geeignete Konzentration ist etwa 103 bis
106/ml, vorzugsweise etwa 103 bis
105/ml. Der pH des Kulturmediums ist nicht
begrenzt, ist aber vorzugsweise 2,2 bis 9,5 und bevorzugter ungefähr 7. Die
geeignete Temperatur liegt in einem Bereich von 20 bis 45°C. Bei der
vorliegenden Erfindung wird, insbesondere falls der Stamm CJF002
verwendet wird, gleichzeitig bei dem Kulturverfahren zur Herstellung
des Cellulosematerials eine Gruppe wasserlöslicher Polysaccharide gebildet
und ein Halten der Kultur bei einer hohen Temperatur, zum Beispiel
30°C oder
höher,
ist zur Ausbeuteverbesserung des Cellulosematerials bevorzugt.
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Ein weiteres neues Material gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Gruppe wasserlöslicher Polysaccharide mit
Glucose, Galactose und Fucose als andere Hauptbestandteile als ein
carboxylierter Zucker, die jeweils in einem Gehalt von ungefähr 30% enthalten
sind. Die Produktion einer derartigen Gruppe wasserlöslicher
Polysaccharide ist ein Kennzeichen bei der Kultur einer Gruppe von
Mikroorganismen zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung. Zum
Beispiel kann durch einfaches Verringern der Kulturtemperatur auf
etwa 30°C
oder niedriger eine Gruppe wasserlöslicher Polysaccharide als
Hauptprodukt hergestellt werden. Der Grund, weshalb der Ausdruck „eine Gruppe
wasserlöslicher
Polysaccharide" verwendet
wird ist, daß sie
weiter in mehrere Arten wasserlöslicher
Polysaccharide aufgetrennt werden kann, falls eine genauere Löslichkeitstrennung
durchgeführt
wird. Da jedoch praktisch eine Feintrennung unnötig sein kann und es viele
Fälle gibt, wo
die Verwendung dieser Polysaccharide im gemischten Zustand als Kostenverringerung
ausgedrückt
vorteilhafter ist, wird das Material bewußt als Gruppe wasserlöslicher
Polysaccharide beschrieben. Der Ausdruck „wasserlöslich" schließt Materialien ein, die hohe
Quelleigenschaften zeigen.
-
Der Fall, bei dem ein Desoxyderivat
mit die 6-Stellung substituierendem Methyl wie etwa Fucose in die Kette
eingebaut ist, wie die (Gruppe der) wasserlöslichen Polysaccharide der
vorliegenden Erfindung, ist einzigartig. Wenn die wasserlöslichen
Polysaccharide mit einem allgemeinen Vernetzungsmittel vernetzt
werden, wird aus ihnen ein Gel mit stark absorbiertem Wasser usw.,
wodurch sie in einem bioverträglichen
Material, einem Medium für
ein Wirkstoffzuführungssystem
(DDS) und einem Mittel leicht verwendet werden, das Zellen erkennen/nicht
erkennen kann, wenn diese auf die Oberfläche eines anderen Materials
aufgebracht werden oder in ein anderes Material eingearbeitet und
darauf ausgeformt werden. Weiterhin weist die Gruppe der wasserlöslichen
Polysaccharide der vorliegenden Erfindung eine ausgezeichnete Fähigkeit,
verschiedene Materialien zu dispergieren auf und besitzt ein starkes
Dispersionshaltevermögen
in Anwesenheit eines Salzes, was das Problem ist, das Dispergiermittel
auf Cellulosegrundlage immer erfahren. So kann die Gruppe wasserlöslicher
Polysaccharide für
einen weiten Bereich industrieller Anwendungen einschließlich Kosmetika
verwendet werden. Es kann selbstverständlich grundsätzlich ein
Gemisch mit anderen Materialien, z. B. ein Polymermaterial, wie
bei dem wasserunlöslichen
Cellulosematerial beschrieben bilden.
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Die Gruppe wasserlöslicher
Polysaccharide der vorliegenden Erfindung kann in einem Kulturmedium hergestellt
werden, das im wesentlichen dasselbe wie das der Herstellung des
zuvor beschriebenen Cellulosematerials in Kultur ist, wird aber
als Hauptprodukt produziert, wenn die Kultur bei niedriger Kulturtemperatur, z.
B. einer niedrigeren Temperatur als 20°C durchgeführt wird. Als Kohlenstoffquelle
ist Sucrose bevorzugter als Glucose. In diesem Fall wird das Cellulosematerial
mehr oder weniger produziert. Das Produktionsverhältnis der
Gruppe wasserlöslicher
Polysaccharide zu dem Cellulosematerial erhöht sich bei niedriger Temperatur, aber
beide Produkte werden bei einer niedrigeren Temperatur als 4°C kaum produziert.
Da enorme Energien und Kosten für
die Trennung/Erzeugung einer Gruppe in dem Kulturmedium gelöster Polysaccharide
erforderlich sind, ist es notwendig, daß die Gruppe der Polysaccharide
in dem Kulturmedium in hoher Konzentration vorliegt.
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Als Verfahren zum Reinigen des durch
das Verfahren der vorliegenden Anmeldung erhaltenen Cellulosematerials,
des Verbunds und der Gruppe wasserlöslicher Polysaccharide aus
der Kulturbrühe
können
verschiedene Verfahren wie etwa ein Reinigen durch Filtration und
Dekantieren durch Zentrifugensedimentation ohne Einschränkung angewendet
werden. Der Reinigungsgrad kann gemäß der Anwendung geeignet ausgewählt werden
und aus Mikroorganismen stammende Proteine, Kulturmediumsbestandteile
und dergleichen können
in Abhängigkeit
von der Anwendung vorhanden sein. In einigen Fällen kann das Vorhandensein
aus Mikroorganismen stammender Proteine zu einem wirkungsvolleren
Ergebnis für
den Zweck des Verbesserung der Haftung an anderen Bestandteilen
oder andere Zwecke führen.
Das Cellulosematerial und die Gruppe wasserlöslicher Polysaccharide können gemischt
werden.
-
Die vorliegende Erfindung wird nun
durch Beispiele weiter speziell beschrieben. Weiterhin werden Verfahren
zur Identifizierung und Beurteilung des durch das Kulturverfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellten Cellulosematerials und
dergleichen nachstehend beschrieben.
-
(1) Analyse von Zuckerbestandteilen
gefriergetrockneter Produkte aus Cellulosematerial und der Gruppe
wasserlöslicher
Polysaccharide
-
Ein gefriergetrocknetes Produkt aus
einem Cellulosematerial wurde mit einer im Handel erhältlichen Cellulase
(Hydrolysegrad: etwa 75%) hydrolysiert. Ferner wurde ein gefriergetrocknetes
Produkt aus einer Gruppe wasserlöslicher
Polysaccharide mit einer organischen Säure zersetzt und die Reste
wurden mit Cellulase weiter hydrolysiert. Das sich daraus ergebende
abgebaute Material wurde unter den nachstehend beschriebenen Bedingungen
auf neutrale Zucker und Uronsäure
analysiert.
-
(i) Neutrale Zucker
-
sUnter Verwenden eines von Shimadzu
Corp. hergestellten HPLC-Geräts
(LC-9A) und einer von Tosoh Corporation hergestellten Säule (TSK-gel
Sugar AXG: ⌀ 4,6
mm × 150
mm) wurde eine Probe eingespritzt und anschließend unter Verwenden von 0,5
mM Kaliumboratpufferlösung
als Elutionsmittel mit 0,4 ml/min eluiert. Als Nachsäulenmarkierung
wurden 1%-Arginin und 3% Borsäure
verwendet. Die Durchflußgeschwindigkeit
war 0,5 ml/min und die Reaktionstemperatur war 150°C.
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(ii) Uronsäure
-
Die Analyse wurde auf dieselbe Weise
wie bei der Analyse der neutralen Zucker durchgeführt, mit
Ausnahme einer von Shimadzu Corp. hergestellten Säule (Shinpal
ISA-07: ⌀ 4,6
mm × 250
mm) und daß die Durchflußgeschwindigkeiten
des Eluats und der Nachsäulenmarkierung
jeweils in 0,8 ml/min geändert
wurden.
-
(2) Bindungsform der Zuckerbestandteile
des Cellulosematerials
-
Ein gefriergetrocknetes Produkt aus
einem Cellulosematerial wurde gemäß einem herkömmlichen Verfahren
vollständig
methyliert, mit Trifluoressigsäure
zu Monosaccharideinheiten hydrolysiert und anschließend, durch
das Acetanhydrid-Pyridin-Verfahren
unter Umwandeln in ein Acetylderivat eines teilmethylierten Zuckeralkohols
(teilmethyliertes Alditacetat) reduktiv acetyliert. Die Bindungsform
des Cellulosematerials wurde aus der Methylierungsanalyse mittels
Gaschromatographie (von Hewlett-Packard hergestelltes HP 5890A, von
Supelco Japan Ltd. hergestellte Säule SPB-5, Trägergas:
He, Nachweisverfahren: FID) und gaschro matographisch-massenspektroskopische
Analyse (von JEOL Ltd. hergestelltes JMS DX-303, Ionisation: EI-Verfahren)
abgeschätzt.
-
(3) Iα-Anteil des Cellulosematerials
-
Messungen des Festkörper-l3C-NMR-Spektrums wurden mittels eines von
Bruker Co., Ltd. hergestellten DSX 400 Spectrometer und des CP/MAS-Verfahrens
durchgeführt.
Die Kontaktzeit war 1 ms, das Pulsintervall 5 s, der 90°-Puls 4,8 μs, die Speicherzahl
3000 und die Umdrehungsgeschwindigkeit 4000 Hz. Der Iα-Anteil wurde aus
dem sich daraus ergebenden Festkörper-l3C-NMR-Spektrum (6) und der folgenden Gleichung (siehe
Macromolecules, 17, 1465 (1984)) berechnet. 6 zeigt das Festkörper-l3C-NMR-Spektrum
des mit Glucose als Kohlenstoffquelle erhaltenen Cellulosematerials
des Beispiels 1. Dieses Spektrum zeigt den Kohlenstoff in der 4-Stellung
einer Glucoseeinheit, die ein Zuckereinheitsbestandteil des Cellulosematerials
ist. Iα-Bestandteile
erscheinen bei Peak 2 (Iα/2
+ Iβ/2)
und Peak 3 (Iα/2)
und die Beitragsverhältnisse der
Iα-Bestandteile
sind wie in Klammern dargestellt jeweils 0,5. Iß-Bestandteile erscheinen bei
Peak 1 (Iβ/2) und
Peak 2 (Iα/2
+ Iβ/2)
und die Beitragsverhältnisse
der Iβ-Bestandteile
sind wie in Klammern dargestellt jeweils 0,5. Somit kann der Iα-Anteil aus
der folgenden Gleichung bestimmt werden:
Iα-Anteil = (Iβ × 2/(I1 + I2 + I3)) × 100
I1:
integrierte Intensität
des Peaks 1, I2: integrierte Intensität des Peaks 2, I3: integrierte
Intensität
des Peaks 3.
-
(4) Orientierung der Kristallebene
bei dem Cellulosematerial
-
Die Ebenenorientierung wurde aus
den Ergebnissen einer Breitwinkel-Röntgenbeugung (7) und der folgenden Gleichung (Polymer
Journal, 7, 157 (1975)) berechnet:
Ebenenorientierung = (I11-0/I200) × 100
I11-0:
Beugungsintensität
der Kristallebene (11-0),
I200: Beugungsintensität der Kristallebene
(200)
-
(5) Polymerisationsgrad
des Cellulosematerials
-
Das Molekulargewicht M wurde aus
der Grenzviskosität
(n) berechnet, die durch ein Viskositätsverfahren aus einer Cadoxenlösung und
die folgende Gleichung (siehe European Polymer Journal, 1,1 (1965))
berechnet, das anschließend
zum Bestimmen des Polymerisationsgrads durch 165 dividiert wurde. 7 zeigt ein Breitwinkel-Röntgenbeugungsmuster
des unter Verwenden von Glucose als Kohlenstoffquelle erhaltenen Cellulosematerials
des Beispiels 1.
[η]
= 3,85 × 10–2M0,76
-
(6) Kristallinitätsgrad
-
Ein Festkörper-l3C-NMR-Spektrum
wurde durch das CP/MAS-Verfahren mittels eines von Bruker Co., Ltd.
hergestellten DSX 400 Spectrometer gemessen. Die Kontaktzeit war
1 ms, das Pulsintervall 5 s, der 90°-Puls 4,8 μs, die Speicherzahl 3000 und
die Umdrehungsgeschwindigkeit 4000 Hz. Bei den C4-Kohlenstoffpeaks
des sich daraus ergebenden Festkörper-l3C-NMR-Spektrums wurde der Peak auf der
Hochfeldseite als amorphe Komponente (Peakfläche A) definiert, während der
Peak auf der Niederfeldseite als Kristallkomponente (Peakfläche B) definiert
wurde. Der Kristallinitätsgrad χc wurde
aus der folgenden Gleichung (siehe Polymer Journal, 17, 707 (1985)
(K. Kamide, K. Okajima, K. Kowsaka, T. Matsui) berechnet:
χc – (B/(A+b)) × 100
-
Beispiel 1
-
Ein 4,0% Sucrose, Glucose oder in
China hergestellte Zuckerrübenmolasse
enthaltendes Polysaccharidproduktionsmedium (hierin nachstehend
als PPM-Medium, Polysaccharidproduktionsmedium bezeichnet, Akihiko
Shimada, Viva Origino, 23, 1, 52–53, 1995) wurde einem Hochdruckdampf-Sterilisationsverfahren
unterzogen. Anschließend
wurden 1000 ml des Mediums in einen Becherfermenter mit einem Innenvolumen
von 2000 ml eingebracht, mit dem Stamm CJF002 in einer Menge von
104 CFU/ml beimpft und bei niedriger Geschwindigkeit
(70 Upm) 2 Tage bei 30°C
unter gelinder Blasenbelüftung
kultiviert. Bei allen Kulturtypen wurde ein Cellulosematerial von
kugeliger Form mit Makrofibrillen erhalten, die wie in 1 dargestellt radial vom
Mittelpunkt zum Umfang ausgebildet sind. Insbesondere bestand es
aus einem kugelförmigen
Kern und kegelförmigen
Bestandteilen, die sich von dem Kern radial erstrecken. Die kegelförmigen Bestandteile
und der Kern waren zusammen an der Spitze der kegelförmigen Bestandteile
verbunden und am unteren Ende der kegelförmigen Bestandteile wurde faserförmiges Material
beobachtet. Die Höhe
der kegelförmigen
Bestandteile war na hezu gleich dem Radius der kugelförmigen Kerne.
Sie wurden mit einem Maschensieb (50 Mesh) filtriert, gespült, gepreßt und anschließend in
1%ige NaOH-Lösung getaucht,
sterilisiert, erneut neutralisiert, gespült und gepreßt, wodurch
leicht ein Wasser enthaltender, weißer, flockiger Körper erhalten
werden konnte. Das durch Kultur mit Glucose erhaltene Cellulosematerial
wies die in 1 dargestellte
Gestalt auf und war im allgemeinen im Durchmesser gleichförmig und
von ausgezeichneter Flüssigkeitsdurchlässigkeit.
Die vorstehend beschriebenen Schritte der Filtration, des Spülens, Verdichtens
und so weiter waren sehr zufriedenstellend. Wie nachstehend beschrieben
ist die herkömmliche
Cellulose aus Acetobacter-Stämmen
ein schuppenförmiger
Streifen und ein Gelmaterial und verursacht daher leicht ein Verstopfen
der Siebe, was das Durchführen der
vorstehend beschriebenen Schritte erschwert. Es wurde gefunden,
daß nahezu
alle Bakterien allein durch Spülen
ohne Tauchen in die 1%ige NaON-Lösung
entfernt wurden.
-
Die Ergebnisse der Analyse der Zuckerbestandteile,
des Kristallinitätsgrads,
der Analyse des Iα-Anteils
und der Analyse der Orientierung der Kristallebene werden in Tabelle
1 dargestellt. Offensichtlich herrschten β-1,4-Bindungen vor, war der
Glucosegehalt der Zuckerbestandteile 87,8 bis 99,6%, war der Kristallinitätsgrad 80%
oder höher
und war der Iα-Anteil
höchstens
62% und 57% im Durchschnitt. Die Tatsache, daß der Iα-Anteil niedriger als der der
im nachstehend beschriebenen Vergleichsbeispiel 2 durch Acetobacter-Stämme produzierten
Cellulose war, ist dem gleichzeitigen Vorliegen wasserunlöslicher
Polysaccharide mit einer der nur aus Glucose bestehenden echten
Cellulosestruktur nahestehenden Struktur zuzuschreiben. Andere Zuckerbestandteile
als Glucose waren hauptsächlich
Galactose und Mannose. Die Ausbeute des wasserunlöslichen
Cellulosematerials bezogen auf Zucker war 10 bis 15%.
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Beispiel 2
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Ein Kubikmeter (1 m3)
eines 2,0% Glucose enthaltenden Polysaccharidproduktionsmediums
(Polysaccharidproduktionsmedium, Akihiko Shimada, Viva Origino,
23, 1, 52–53,
1995), das einem Hochdruckdampf-Sterilisationsverfahren unterzogen
worden war, wurde in einen 3-m3-Kulturtank
gegeben, mit dem Stamm CJF 002 in einer Menge von 2 × 104 CFU/ml beimpft, vom Boden des Kulturtanks
mit einer Belüftungsrate
von 1 m3/Minute durchblasen und 24 Stunden
bei 30°C
kul tiviert. In Abständen
von einer Stunde wurde ein Einstellen mit verdünnter NaOH-Lösung durchgeführt, so
daß der
pH in der Kultur 7 betrug. Nachdem die Kultur abgeschlossen war,
wurde das Medium durch Durchblasen von Hochdruckdampf sterilisiert,
mit einem groben Sieb filtriert, der Zentrifugenentwässerung
unterzogen, anschließend
mehrere Stunden der Bakteriolyse mit 1% kaustischer Soda bei 90°C unterzogen,
neutralisiert, gespült
und unter Erhalten eines etwa 10 Gew.-% Cellulose enthaltenden,
feuchten Kuchens entwässert.
Der Kuchen wurde direkt mit Wasser verdünnt und seine makroskopische
Struktur wurde mit einem optischen Mikroskop betrachtet. Das Ergebnis
wird in Tabelle 2 dargestellt. 2 zeigt
eine kugelige Form, die im wesentlichen dieselbe wie die der 1 ist, bei der Makrofibrillen
radial vom Zentrum zum Umfang gebildet sind, aber sie unterscheiden
sich in der Gestalt und Größe der Fibrillen,
da die Kulturbedingungen verschieden sind. Insbesondere erstrecken
sich die Makrofibrillen in Längsrichtung
in einer Länge
von etwa 1 mm radial von einem kugelförmigen Kern mit einem geringfügig kleineren
Durchmesser als 1 mm. Verglichen mit dem schuppenförmigen Streifen
oder unbestimmten Form der durch Rührkultur von Acetobacter-Stämmen erhaltenen
Bakteriencellulose (K. Watanabe, Cellulose 5, 187 (1998)) weist
die durch Mikroorganismen produzierte Cellulose der vorliegenden
Erfindung eine unabhängige oder
etwas verknüpfte,
einzigartige Struktur auf, bei der sich die Makrofibrillen radial
vom Zentrum erstrecken und es ist somit ein völlig neues, von Mikroorganismen
produziertes Cellulosematerial.
-
Weiterhin wurde die mikroskopische
Struktur einer durch Gefriertrocknen des vorstehenden feuchten Kuchens
erhaltenen Probe mit einem Elektronenmikroskop betrachtet. Das Ergebnis
wird in 3 dargestellt. Durch
Kultivieren von Acetobacter-Stämmen
unter Rühren
erhaltene Bakteriencellulose ist netzartig, aber ihre Mikrofibrillen
selbst sind abgerundet und weisen eine Struktur auf, die der Struktur
nahesteht, bei der kurzlebige Teilchen aus einem erzeugten Polymer
durch Phasentrennung verknüpft
sind (siehe USP-5 144 021, 2).
Zum anderen ist wie in 3 dargestellt
das Produkt der vorliegenden Erfindung im allgemeinen flach und
weist eine charakteristische Morphologie auf, bei der kreisförmige Poren
wie in der Phasentrennungsstruktur gegenseitig verknüpft sind
und es weist ein viel höheres
Ausmaß an
gegenseitiger Verknüpfung
unter den Mikrofibrillen auf. Weiterhin wurde die Bindungsform der
Zuckerbestandteile des Cellulosematerials der vorliegenden Erfindung
analysiert und als Ergebnis wurde ge funden, daß die β-1,4-Glykosidbindungen 96% oder mehr
der gesamten Bindungen darstellen und Cellulose bei den Zuckerbestandteilen
vorherrscht. Weiterhin war der Kristallinitätsgrad 90% oder höher und
es wurde aus der Röntgenbeugung
gefunden, daß mehr
oder weniger die Kristallform des Typs II vorlag.
-
Beispiel 3
-
Ein tausendstel Milliliter PPM mit
einer Glucosekonzentration von 3% wurde in einen kleinen Becherfermenter
mit einem Gesamtvolumen von 5000 ml gegeben, anschließend mit
dem Stamm CJF002 (2 × 104 CFU/ml) steril beimpft, welchem α-Aluminiumoxid
(durchschnittliche Teilchengröße von 0,5 μm, 300 mg)
zugefügt
wurde und es wurde unter Rühren
bei einer Rührumdrehungsgeschwindigkeit
von 100 Upm und einer Belüftungsrate
von 600 ml/min 48 Stunden kultiviert. Das Medium wurde sterilisiert,
entwässert,
mit Alkali gewaschen, neutralisiert, gewaschen und unter Erhalten
eines Verbunds aus Cellulosematerial/anorganischer Substanz entwässert. Eine
optische Mikrophotographie davon wird in 4 dargestellt. Bei dem Verbund mit dem zugesetzten
Aluminiumoxid wurde eine ähnliche
Morphologie, d. h. eine neue Morphologie mit radialen Mikrofibrillen
um einen großen,
kugelförmigen
Kern eindeutig beobachtet. Der kugelförmige Kern weist eine zweimal so
große
oder größere Größe als die
des kugelförmigen
Körpers
auf, bei dem kein Aluminiumoxid vorhanden ist. Falls bei diesem
Beispiel das Aluminiumoxid vollständig in das erzeugte Cellulosematerial
eingearbeitet ist, ist der Aluminiumoxidgehalt etwa 1/25 als Volumenanteil.
Eine Elektronenmikroskopphotographie eines gefriergetrockneten Produkts
aus dem Verbund aus Cellulosematerial/anorganischer Substanz wird
in 5 dargestellt. Es
wurde gefunden, daß Aluminiumoxid
in unbestimmter Form auf Bereichen mit stark spinnenwebartiger Struktur
fixiert ist. Dieses gefriergetrocknete Produkt wurde mehrere Male
dem Verarbeiten durch erneutes Dispergieren unterzogen und durch
ein Elektronenmikroskop betrachtet. Als Ergebnis wurde gefunden, daß sich das
fixierte Aluminiumoxid kaum von den Cellulosemikrofibrillen trennte
oder ablöste.
-
Beispiel 4, 5 und 6
-
Fünf
Gramm α-Aluminiumoxid
(Beispiel 4) (durchschnittliche Teilchengröße von 0,5 μm), 5 g Titanoxid des Anatastyps
(Beispiel 5) (Teilchengröße von 0,5 μm) und 5
g Titanoxid des Rutiltyps (Beispiel 6) (Teilchengröße von 0,5 μm) wurden
getrennt gemischt und jeweils in 500 ml PM mit einer Glucosekonzentration
von 2% dispergiert und steril in jeweils einen Kolben mit einem
Gesamtvolumen von 2000 ml gegeben und mit dem Stamm CJF002 (2 × 104 CFU/ml) beimpft. Eine Schüttelkultur
wurde 18 Stunden bei einer Schüttelgeschwindigkeit
von 200 Upm ausgeführt.
Eine Belüftung
und pH-Einstellung wurden nicht ausgeführt. Unmittelbar nach der Sterilisierung
wurde die verbrauchte Glucosemenge gemessen, um zu finden, daß bei der
Menge der verbrauchten Glucose ein großer Unterschied mit 94% bei α-Aluminiumoxid,
36% bei Titanoxid des Anatastyps und 21% bei Titanoxid des Rutiltyps
bestand. Dies mag der Tatsache zuzuschreiben sein, daß die Oberflächen der
beiden letzten Materialien alkalisch sind und die Oberfläche des
ersten Materials sauer ist. Der sich daraus ergebende Verbund aus
Cellulosematerial/anorganischer Substanz wurde mit einem optischen
Mikroskop betrachtet und als Ergebnis wurde bei jedem Beispiel eine
kugelige Form mit Makrofibrillen beobachtet, die sich radial vom
Zentrum zum Umfang gebildet hatten. Im Fall der Titanoxide, wo weniger
Glucose verbraucht wurde, war die Cellulosemenge nahezu gleich der
im Fall von Aluminiumoxid. Somit scheint der Wirkungsgrad der Umwandlung
von Glucose in Cellulose verbessert worden zu sein.
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Beispiel 7 und Vergleichsbeispiel
1
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Der feuchte Kuchen aus dem in Beispiel
2 erhaltenen, durch Mikroorganismen produzierten, neuen Cellulosematerial
wurde so mit Wasser verdünnt,
daß der
Cellulosegehalt 0,1 Gew.-% betrug, und wurde auf einfache Weise
mit einem TK-Homogenisator
unter Erhalten einer Dispersion (Beispiel 7) ähnlich dispergiert. Im Handel
erhältliche,
von Fujicco Co., Ltd. hergestellte Nata de coco (durch statische
Kultur mit Acetobacter-Stämmen
erhaltene Bakteriencellulose) wurde auf einfache Weise mit dem TK-Homogenisator
unter Erhalten einer 0,1 gew.-%igen Cellulosedispersion (Vergleichsbeispiel
1) dispergiert. Der Sedimentationsverdichtungsgrad dieser Dispersionen
wurde durch das in dieser Beschreibung beschriebene Verfahren gemessen. Als
Ergebnis wurde gefunden, daß der
Sedimentationsverdichtungsgrad bei Vergleichsbeispiel 1 0,20 oder
höher war,
während
er bei dem Produkt der vorliegenden Erfindung, Beispiel 7, 0,08
war. Dies bedeutet, daß das letzte
leichter verdichtet wird. Ähnlich
wurde die dynamische Viskosität
bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 10/sec mittels eines Viskosimeters
des Typs B gemessen. Das Produkt der vorliegenden Erfindung wies eine
dynamische Viskosität
von 200 cP auf, während
das Produkt des Vergleichsbeispiels 1 eine dynamische Viskosität von 600
cP aufwies. Das heißt,
es kann festgestellt werden, daß das
neue, durch Mikroorganismen produzierte Cellulosematerial der vorliegenden
Erfindung im Trocknungsvermögen
und dem Leistungsverhalten bei der Nachverarbeitung vorteilhafter
als die sogenannte Bakteriencellulose ist.
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Beispiel 8
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Eine Kultur wurde 4 Tage bei 15°C gemäß dem in
Beispiel 1 beschriebenen Kulturverfahren durchgeführt, indem
ein Verfahren des Zufügens
einer Glucoselösung
auf schrittweiser Grundlage angewendet wurde, so daß die Glucosekonzentration
im Medium 1% betrug. Bei einer Temperatur von 15°C wurde wenig Cellulosematerial
produziert. Nachdem die Kulturlösung
unter Hochdruck sterilisiert worden war, wurde geringfügig produziertes
Cellulosematerial abgetrennt und mit einem Maschensieb (50 Mesh)
entfernt und die Bakterien wurden als Sediment durch Zentrifugentrennung
entfernt. Das Kulturfiltrat wurde auf die Hälfte des ursprünglichen
Volumens eingeengt und anschließend
in eine Acetonlösung
mit einem dreimal so großen
Volumen wie das des konzentrierten Filtrats eingebracht, während diese
gerührt
wurde. Das sich daraus ergebende Sediment wurde mit einem Maschensieb
filtriert. Das filtrierte Material wurde erneut in Wasser in einer
Konzentration von 10% gelöst.
Diese Lösung
erzeugte beim Zusatz von Methanol und Ethanol nicht gleich einen
Niederschlag. Rückstände wurden
aus der erneut gelösten
Lösung
entfernt. Der Rückstand
wurde anschließend
erneut mit Aceton, das ein dreimal so großes Volumen wie die Lösung aufwies,
absitzen lassen. Das filtrierte Material wurde mit einem Wasser/Methanol-Gemisch
(30% Methanol) unter Erhalten des gewünschten Materials gewaschen.
Die Zusammensetzung der Zuckerbestandteile des gewünschten
Materials wird in Tabelle 2 dargestellt. Es wurde gefunden, daß das gewünschte Material
Galactose, Fucose und Glucose als Hauptbestandteile aufwies und
einen Uronsäurebestandteil
enthielt.
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Beispiel 9
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sEine Kultur wurde auf dieselbe Weise
wie bei Beispiel 1 unter Verwenden in China hergestellter Zuckerrübenmolasse
als Kohlenstoffquelle durchgeführt.
Die Kulturtemperatur war 30°C.
Nachdem die Kultur abgeschlossen war, wurde das Medium durch einen
Autoklaven 20 Minuten bei 120°C
sterilisiert. Die sterilisierte Kulturbrühe wurde so wie sie war unter
Erhalten eines Gemisches aus einem Cellu losematerial und einer Gruppe
wasserlöslicher
Polysaccharide getrocknet. Das Verhältnis des Cellulosematerials
zu der Gruppe wasserlöslicher
Polysaccharide (Cellulosematerial/Gruppe wasserlöslicher Polysaccharide) in
dem Gemisch war 6/5.
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Beispiel 10 und Vergleichsbeispiel
2
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Ein Cellulosematerial mit einer zu
der in 1 dargestellten ähnlichen
Morphologie wurde auf dieselbe Weise wie Beispiel 1 erhalten, außer daß Glucose
als Kohlenstoffquelle verwendet wurde und die Kulturtemperatur 40°C war (Beispiel
10). Das erhaltene Cellulosematerial wurde auf dieselbe Weise wie
in Beispiel 1 mit einem Maschensieb filtriert, gespült, verdichtet,
anschließend
in 1% NaOH getaucht, sterilisiert, anschließend erneut neutralisiert,
gespült
und verdichtet, um einen wasserhaltigen, flockigen Körper zu
erhalten. Das Cellulosematerial war in dem Maschensieb von ausgezeichneter
Flüssigkeitsdurchlässigkeit
und daher konnten diese Schritte des Filtrierens, Spülens, Verdichtens
und so weiter ziemlich leicht durchgeführt werden. Danach wurde der
flockige Körper
mit 200 Upm bei 140°C
mittels eines biaxialen Kneters (von Kurimoto Ltd. hergestellter
KRC Kneader (Warenzeichen)) gleichzeitig getrocknet und zerkleinert.
Das sich daraus ergebende getrocknete Pulver wurde in Tetrahydrofuran
(THF) dispergiert und anschließend
wurde Polysulfon (Molekulargewicht 5000) darin gelöst. Der
Prozentanteil des Polysulfons bezogen auf die Gesamtmenge an THF,
dem Gellulosematerial und Polysulfon war 8 Gew.-% und der Prozentanteil
des Cellulosematerials war 0,8 Gew.-%. Die erhaltene Dispersionsflüssigkeit
aus Cellulosematerial/Polysulfon wurde in einer Dicke von 500 μm auf eine
Glasplatte gegossen und unter Erhalten eines Cellulose/Polysulfon-Films
getrocknet. Der Längenausdehnungskoeffizient
des erhaltenen Films war 19 ppm, was etwa ein Drittel des Längenausdehnungskoeffizients von
Polysulfon, d. h. 55 ppm, ist. Der Längenausdehnungskoeffizient
des Cellulosematerials selbst ist 5 ppm und der Längenausdehnungskoeffizient
eines Gemischmaterials nimmt ab und nähert sich 5 ppm, wenn die Bildung
eines Verbunds bei einem zufriedenstellenden Wert verläuft.
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Als Vergleichsbeispiel 2 wurden Acetobacter-Stämme unter
Erhalten von Cellulose kultiviert. Unter Anwenden von Standardbedingungen
und eines Hestrin-Schramm-Mediums
(siehe S. Hestrin und M. Schramm, Biochem. J., 58, 345 (1954)) wurde
die Kultur bei pH 6 und einer Temperatur von 28°C und belüfte tem Rühren durchgeführt. Das
in Vergleichsbeispiel 2 erhaltene Cellulosematerial war ein unbestimmter
und schuppiger Streifen und war teilweise geliert, so daß es das
Sieb verstopfte und auf diese Weise schwierig die Schritte des Filtrierens,
Spülens,
Verdichtens und dergleichen durchlief. Die Struktur und Zusammensetzung
des in Vergleichsbeispiel 2 erhaltenen Cellulosematerials wird in
Tabelle 1 dargestellt. Bei der Zuckerzusammensetzung war der Glucosegehalt
100% und die Bindungen waren alle β-1,4-Bindungen. Das Cellulosematerial
wies einen hohen Iα-Anteil,
d. h. 69%, und eine hohe Ebenenorientierung auf. Mittels des in
Beispiel 2 erhaltenen Cellulosematerials wurde auf dieselbe Weise
wie in Beispiel 10 ein Cellulose/Polysulfon-Film erhalten. Der Längenausdehnungskoeffizient
des Films war 35 ppm, was deutlich höher als der des Films der vorliegenden
Erfindung war. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Oberflächenaktivität (Dichte
der OH-Gruppen) des Cellulosematerials des Vergleichsbeispiels so
niedrig ist, daß die
Bildung eines Verbunds unzureichend ist.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Ein Cellulosematerial der vorliegenden
Erfindung weist eine hohe Oberflächenaktivität der faserförmigen Fibrillen
auf und ist ein ausgezeichnetes Material für Verbünde und Stabilisierungsmittel
für Bestandteile einer
Zusammensetzung, Trennmedium für
die Mikrofiltration und bahnen-/granulatförmiges Material mit einer stabilisierten
morphologischen Struktur, was seinen morphologischen Eigenschaften
zu verdanken ist. Weiterhin ist der Verbund der vorliegenden Erfindung
aus dem Cellulosematerial/anorganischen Substanz in der grundlegenden
Morphologie einem Typ Cellulosematerial gleichwertig, das kein Verbund
ist, und kann nicht nur für
die enthaltenen anorganischen Substanzen spezifische Funktionen
zeigen, sondern stellt auch neue, sich aus seiner Morphologie ergebende
Funktionen bereit und ist unter dem industriellen Gesichtspunkt
von großer
Bedeutung.
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Der Fall, bei dem ein Desoxyderivat
mit der C6-Methylgruppe in der Glucose wie etwa Fucose in die Kette
eingebaut ist, wie die Gruppe der wasserlöslichen Polysaccharide der
vorliegenden Erfindung, ist einzigartig. Falls die wasserlöslichen
Polysaccharide mit einem gewöhnlichen
Vernetzungsmittel vernetzt sind, absorbieren sie Wasser oder andere
Lösungsmittel
sehr stark und werden zu einem Gel und werden leicht in einem bioverträglichen
Material, einem Medium für
DDS und einem Mittel verwendet, das Zellen erkennen/nicht erkennen
kann, wenn sie auf die Oberfläche
eines anderen Materials aufgebracht oder in ein anderes Material eingebaut
und anschließend
ausgeformt werden. Weiterhin weist die Gruppe wasserlöslicher
Polysaccharide der vorliegenden Erfindung eine ausgezeichnete Fähigkeit
des Dispergierens unterschiedlicher Materialien auf und besitzt
ein starkes Dispersionshaltevermögen
in Gegenwart eines Salzes, was das Problem ist, das Dispergiermittel
auf Cellulosegrundlage immer erfahren. Somit kann die Gruppe wasserlöslicher
Polysaccharide auf einem weiten Bereich industrieller Anwendungen
einschließlich
Kosmetika verwendet werden.
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Das Cellulosematerial und die Gruppe
der wasserlöslichen
Polysaccharide sind zur Herstellung von Gemischen in Kombination
mit anderen Materialien, zum Beispiel ein Polymermaterial, ein Metall
und ein Metalloxid, brauchbar.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Kugelförmiges Cellulosematerial, wobei
das Cellulosematerial ein wasserunlösliches Polysaccharid ist,
das durch Zuckerkettenverknüpfungen
des β-1,4-Typs
gebildet ist, der Kristallinitätsgrad
70% oder höher ist
und Makrofibrillen radial vom Zentrum der Makrofibrillen zum Umfang
gebildet sind.