CH646195A5 - Verfahren und vorrichtung zum durchfuehren einer chemischen umwandlung. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Durchführen einer chemischen Umwandlung, indem eine Lösung eines Substrats mit einem teilchenförmigen immobilisierten Enzym in Berührung gebracht wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, eine organische oder eine anorganische Verbindung dadurch in eine oder mehrere Verbindungen umzuwandeln, dass eine Lösung des Substrats mit einem immobilisierten Enzym oder einem Gemisch aus Enyzmen in Berührung gebracht wird. Unter chemischer Umwandlung wird hier jede Veränderung des Molekülgefüges einer organischen oder einer anorganischen Verbindung verstanden, z.B. durch Hydrolyse, Oxydation, Reduzierung, Isomerisation oder Racemisierung. Enzyme können durch eine physikalische oder eine chemische Bindung an ein organisches oder ein anorganisches Material oder indem das Enzym oder das Zellenmaterial mit enzymatischer Aktivität verknüpft wird, auf Wunsch in Anwesenheit eines Füllstoffes, immobilisiert werden. In technischem Massstab wird so Glukose mit Hilfe einer immobilisierten Glukoseisomerase in ein Gemisch aus Glukose und Fruktose umgewandelt und werden N-Acetyl-L-aminosäuren mit Hilfe einer immobilisierten Aminoacy-lase deacyliert. Dabei ist es üblich, die Lösung des Substrats durch ein festes oder ein fluidisiertes Bett aus teilchenförmigem immobilisiertem Enzym zu leiten. Wegen des Verlustes der enzymatischen Aktivität wird die Füllung der Säule periodisch erneuert. Aus verfahrenswirtschaftlichen Gründen ist es in fast allen Fällen üblich, das immobilisierte Enzympräparat zu ersetzen, sobald dessen Aktivität auf einen gewissen Prozentsatz zurückgegangen ist, meistens auf 20 bis 25% seiner ursprünglichen Aktivität, was sowohl bei diskontinuierlicher Ausführung in nur einer Säule als auch bei halbkontinuierlicher Ausführung in mehreren seriengeschalteten Säulen eintritt. Der Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass die Restaktivität der Enzympräparate nicht ausgenutzt wird. Ein festes Bett hat ferner den Nachteil, dass der Druckaufbau eines solchen Bettes durch Klumpenbildung und durch Schwellung der Enzymteilchen gross ist. Ferner kann auch Kanalbildung eintreten. Man hat daher nach einem Verfahren gesucht, bei dem die enzymatische Aktivität der Enzympräparate vollständig oder nahezu vollständig benutzt werden kann. Der Zweck ist auch, die Umwandlung des Substrats möglichst vollständig verlaufen zu lassen.

Erfindungsgemäss führt das eingangs genannte Verfahren zur chemischen Umwandlung, indem eine wässrige Lösung des Substrats mit teilchenförmigem immobilisiertem Enzym derart in Berührung gebracht wird, dass die Substratlösung durch eine Reihe in Serie geschalteter getrennter Wirbelbetten aus teilchenförmigem immobilisiertem Enzym geleitet wird, wobei die Enzymteilchen diskontinuierlich entgegen der Strömungsrichtung der Substratlösung von einem Wirbelbett einem nächstfolgenden Wirbelbett zugeführt werden.

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Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind, dass es sich einfach kontinuierlich durchführen lässt und dass das Enzympräparat erst verworfen wird, wenn z.B. die Aktivität auf einen geringen Prozentsatz der ursprünglichen Aktivität zurückgegangen ist. In vorteilhafter Weise sind z.B. die Druckunterschiede in der Säule durch den Einsatz des Wirbelbettes niedrig und der Umwandlungsgrad des Substrats kann sehr hoch sein, auch z.B. bei Verwendung verdünnter Substratlösungen. Ein weiterer Vorteil ist, dass, bei Gebrauch des gleichen Teils der enzymatischen Aktivität wie bei den bekannten Verfahren, bei dem erfindungsgemässen Verfahren z.B. die mit dem Erneuern des Enzyms verbundenen Kosten und Zeit niedriger sind als bei einer Reaktorreihe.

Vorzugsweise wird das Verfahen zur chemischen Umwandlung einer Verbindung benutzt, wobei die Substratlösung kontinuierlich durch die Wirbelbetten geleitet wird. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung können durch die Ansprüche 2 bis 10 erreicht werden.

Vorzugsweise führt man das Verfahren in einem flüssigkeitsgefüllten Säulenreaktor durch, der durch waagerechte, für die Substratlösung durchlässige Abscheider in mehrere übereinanderliegende Kammern unterteilt ist, die je ein Wirbelbett aus teilchenförmigem immobilisiertem Enzym enthalten. Der Reaktor ist. z.B. mit Mitteln ausgerüstet, durch die Enzym von einer Kammer entgegen der Strömungsrichtung der Substratlösung zur nächstfolgenden Kammer geleitet werden kann. Ein solcher Säulenreaktor ist z.B. kompakt gebaut und lässt sich leicht konstruieren und betreiben.

Das erfindungsgemässe Verfahren weist ausser der bereits genannten besseren Ausnutzung des Enzyms und der nahezu vollständigen Umwandlung des Substrats weitere Vorteile auf. So lässt sich z.B. die Säule bei gleichbleibender Zufuhrgeschwindigkeit der Substratlösung betreiben und es ist nicht erforderlich, wie bei einer Reaktion in einem festen Bett, z.B. einen Rückgang in der Aktivität des Enzympräparats durch Erniedrigung der zugeführten Substratmenge auszugleichen. Bei Umwandlungen, bei denen z.B. ein gasförmiges Reaktionsmittel benutzt wird, z.B. Luft bei oxidativen Umwandlungen, kann das Gas unten in die Säule eingeführt werden. Durch z.B. mehrere Siebbleche oder Roste kann das Gas jedesmal wieder aufs Neue verteilt werden und keine Bildung von Kanälen und grossen Gasblasen auftreten. Wenn z.B. einer oder mehreren Kammern noch Reaktionsmittel oder Hilfsstoffe zugeführt werden, können die Reaktionsbedingungen genauestens geregelt werden. Wenn z.B. bei der Umwandlung eine Base oder eine Säure frei wird, kann dennoch z.B. durch Zusetzen einer Säure, einer Base oder eines Puffers an einer oder mehreren Stellen an der Säule ein optimaler pH-Wert aufrechterhalten werden. Wenn das Substrat z.B. selbst aktivierend arbeitet, wird dieser Effekt völlig ausgenutzt, weil z.B. die Substratkonzentration in denjenigen Teilen des Reaktors am höchsten ist, wo die enzymatische Aktivität des Enzympräparats am meisten zurückgegangen ist. Umgekehrt gilt, dass z.B. eine etwaige Bremsung durch die Umwandlungsprodukte oder die Nebenprodukte relativ weniger stört, weil z.B. die Konzentration der Bremsstoffe dort am höchsten ist, wo auch die Aktivität des Enzympräparats am höchsten ist. Ferner weist das Verfahren noch die dem Gebrauch eines fluidisierten Bettes inhärenten Vorteile auf, wie z.B. eine bessere Temperaturbeherrschung, eine gute Stoffübertragung und eine geringere Empfindlichkeit gegen Infektionen und bakterielles Wachstum.

Das Verfahren ist z.B. insbesondere zum Durchführen von Reaktionen geeignet, bei denen man z.B. ganz oder teilweise im sogenannten Michaelis-Bereich arbeitet. In diesem Bereich ist die Umwandlungsgeschwindigkeit nicht nur von der vorhandenen enzymatischen Aktivität, sondern auch von der Substratkonzentration abhängig. Oben in der Säule ist z.B. die Substratkonzentration niedrig, jedoch die Aktivität des immobilisierten Enzympräparats hoch, so dass sich doch eine befriedigende Umwandlungsgeschwindigkeit erreichen lässt. Dadurch kann das Verfahren für Umwandlungen mit einem Enzym angewandt werden, das z.B. eine niedrige Michaelis-Konstante hat, und für Umwandlungen, die z.B. möglichst vollständig verlaufen sollen. Beispiele sind die Behandlung von Abwasser, aus dem z.B. mit Phenoloxidase Phenol oder mit Urease Harnstoff entfernt wird, die Behandlung von optisch aktiven Substraten, wie die selektive Hydrolyse von L-Phenylglycinamid in Anwesenheit von D-Phenyl-glycinamid mit Aminosäureamiddeamidase und die Umwandlung von Penicillin G zu 6-Aminopenicillinsäure mit Penicillinamidase. Der Vorteil der Erfindung geht deutlich aus der Tatsache hervor, dass sich z.B. der Harnstoffgehalt in einem Abwasserstrom auf weniger als 10 ppm verringern lässt.

Das erfindungsgemässe Verfahren hat ferner den Vorteil, dass z.B. die benötigte Apparatur einfacher zu konstruieren und zu betreiben ist. Bei den bisher bekannten Verfahren konnten höchstens fünf seriengeschaltete Reaktoren benutzt werden, da periodisch der Reaktor, der am längsten in Betrieb gewesen ist, ausser Betrieb genommen, entleert, mit Frischenzym gefüllt und wieder als letzter in der Reihe in Betrieb genommen wird. Die Substratlösung wird dabei jedesmal an einen anderen Reaktor angeschlossen. Wegen der Kosten und des Druckfalls im System ist eine grössere Anzahl von Reaktoren kaum möglich. Nach der vorliegenden Erfindung können jedoch dagegen ohne Bedenken z.B. zehn oder mehr in Serie geschaltete fluidisierte Betten benutzt werden, so dass ein besserer Gebrauch des Enzyms und eine vollständigere Substratumwandlung möglich sind.

Man kann das teilchenförmige immobilisierte Enzym mit einem spezifischen Gewicht unter dem der Substratlösung verwenden. In diesem Fall wird die Substratlösung z.B. oben in die Säule eingeleitet und unten aus ihr abgeleitet, während das frische immobilisierte Enzym der untersten Kammer der Säule zugeführt wird. Das immobilisierte Enzym kann dadurch erhalten werden, dass z.B. freies Enzym in Abwesenheit von Füllmitteln durch Verknüpfung immobilisiert wird oder dass z.B. bei der Immobilisierung ein Füllmittel oder ein Träger mit niedrigem spezifischem Gewicht verwendet wird. Die Fluidisierung kommt z.B. in diesem Fall durch die Tendenz der Enzymteilchen, in der Flüssigkeit aufzusteigen, und durch die entgegengesetzte nach unten gerichtete Kraft der durchströmenden Substratlösung zustande.

Vorzugsweise benutzt man aber teilchenförmiges immobilisiertes Enzym mit einem spezifischen Gewicht über dem der Substratlösung. In diesem Fall wird die Substratlösung z.B. aufwärts durch die Säule geleitet und wird Frischenzym z.B. in die oberste Kammer des Reaktors eingeleitet und von dort aus über die Reihe darunter liegender Kammern nach unten geleitet, wobei das Enzym in jeder Kammer einen Teil seiner Aktivität verliert. Diese Ausführungsform wird nachstehend im Einzelnen beispielsweise erläutert. Sie wird bevorzugt,

weil z.B. die für Wirbelbetten entwickelte Technik und mehrere Arten des zu benutzenden teilchenförmigen immobilisierten Enzyms verwendet werden können.

Der Transport von Enzymteilchen von einer Kammer zur darunterliegenden Kammer kann wie folgt durchgeführt werden. Man kann z.B. Überlaufrohre anbringen, die durch eine Scheidewand zwischen den zwei Kammern hindurchgeführt sind und jeweils zwei Kammern verbinden. Das Überlaufrohr mündet mit seinem oberen Ende in geringem Abstand zur Scheidewand aus. Der Abstand zwischen dieser Ausmündung und der Scheidewand ist die maximale Höhe des Wirbelbettes. Wenn der obersten Kammer frische Enzymteilchen zugeführt werden, steigt die Höhe des fluidi-

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sierten Bettes und Überschuss läuft über das Überlaufrohr in die tiefer liegende Kammer ab und verursacht durch das dortige Überlaufrohr wieder einen Weitertransport von Enzymteilchen zu einer weiter tiefer gelegenen Kammer. Aus der untersten Kammer werden dann Enzymteilchen abgeführt, die ihre Aktivität inzwischen vollständig oder fast vollständig verloren haben. Die Scheidewand zwischen den Kammern lässt bei dieser Ausführungsform unter normalen Bedingungen lediglich die Substratlösung durch. Als Scheidewand kann eine Siebplatte oder ein Drahtgeflecht verwendet werden. Die Überlaufrohre können auch ausserhalb der Säule angeordnet sein, mit Ausmündungen in der Säulenwand. Das Überlaufrohr mündet mit seinem unteren Ende in das fluidisierte Bett aus. Die Rohre werden versetzt zueinander angebracht. Ein solcher Säulenreaktor lässt sich einfach konstruieren und betreiben. Die Strömungsgeschwindigkeit der Substratlösung muss jedoch gut geregelt werden, da bei Spitzenwerten der Strömungsgeschwindigkeit sonst das fluidisierte Bett zu stark expandieren könnte, wodurch über das Überlaufrohr vorzeitig Enzympräparat in die tiefer liegende Kammer strömen würde. Die Strömungsgeschwindigkeit wird vorzugsweise so geregelt, dass im normalen Betrieb die Höhe des Bettes sich etwas unterhalb des oberen Endes des Überlaufrohres befindet. Kurz bevor frisches Enzym zugeführt wird, kann die Strömungsgeschwindigkeit etwas erhöht werden, so dass das Wirbelbett bis zur Ausmündung des Überlaufrohrs reicht.

Der Transport von Enzymteilchen lässt sich auch dadurch verwirklichen, dass jede Kammer mit einer Leitung versehen wird, durch die Enzymteilchen mit Hilfe einer Pumpe, gegebenenfalls über ein Puffergefäss, in die tiefer liegende Kammer abgeführt werden können. Dabei kann zuerst das Enzym aus der untersten Kammer abgeführt werden. Danach wird das Enzym aus der zweituntersten Kammer gepumpt, und zwar in Form eines Breies, der, wenn gewünscht, über ein Puffergefäss in die unterste Kammer überführt wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Strömungsgeschwindigkeit der Substratlösung viel weniger kritisch. Die höhere Investition für Leitungen und eine Pumpe wiegt in den meisten Fällen die höhere Betriebssicherheit auf.

Der Transport von Enzymteilchen lässt sich weiterhin dadurch erreichen, dass als Scheidewand zwischen den Kammern Siebplatten oder funktionell gleichwertige Mittel angoerdnet werden, die bei einer Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit über einem gewissen Schwellenwert kein Enzympräparat durchlassen, jedoch bei einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen der minimalen Fluidisiergeschwin-digkeit und diesem Schwellenwert Enzympräparat zur tiefer liegenden Zone durchlassen. Eine solche Scheidewand kann aus einer Platte mit angrenzenden abgestumpften kegelförmigen Vertiefungen bestehen, die an der Unterseite offen sind. In dem Fall wird die Flüssigkeitszufuhr periodisch verringert, wobei die Enzymteilchen zur tiefer gelegenen Zone sinken und aufgearbeitete Enzymteilchen unten aus der Säule abgeführt und eine gleiche Menge frische Enzymteilchen oben in die Kolonne bzw. Säule zugeführt werden. Es können aber auch andere passende Ausführungsformen für den Transport der Enzymteilchen verwendet werden. Insbesondere die beiden ersten der zuvor beschriebenen Verfahren sind wegen ihrer Einfachheit und ihrer Betriebssicherheit bevorzugt.

Die Reaktionsbedingungen werden vorzugsweise so gewählt, dass die Restaktivität des aus dem Reaktor abgeführten Enzyms höchstens 15% seiner Anfangsaktivität ist und vorzugsweise niedriger ist als 5% der Anfangsaktivität. Es kann vorteilhaft sein, dass, wie nachstehend noch beschrieben werden wird, sogar eine oder mehrere Kammern vollständig desakti viertes Enzym enthalten. Es gibt jedoch

Fälle, in denen das Enzym auch mit einer höheren Restaktivität, z.B. zwischen 15 und 20%, abgeführt werden kann.

Der Reaktor enthält mindestens drei, vorzugsweise jedoch mindestens fünf Kammern. In der Praxis setzt man vorzugsweise einen Reaktor mit 5 bis 20 Kammern ein. Die Kammern und die fluidisierten Betten in ihnen brauchen nicht alle das gleiche Volumen zu besitzen.

Die mittlere Verweilzeit des teilchenförmigen immobilisierten Enzyms im Reaktor ist in hohem Masse von der Enzymart, dem Substrat und den Reaktionsbedingungen abhängig. Im allgemeinen liegt sie zwischen etwa einer Woche und mehreren Monaten. Die mittlere Verweilzeit des Substrats im Reaktor hängt z.B. weiterhin von der Substratart, der Substratkonzentration und dem gewünschten Umwandlungsgrad ab. Im allgemeinen liegt sie zwischen 0,5 und 120 Minuten, in den meisten Fällen zwischen 5 und 30 Minuten.

Das umzuwandelnde Substrat wird in Form einer, vorzugsweise wässrigen, Lösung zugeführt, die weitere Reaktionsmittel, den pH-Wert regelnde Mittel, Aktivatoren, Mittel zum Binden störender Verunreinigungen und gegebenenfalls inerte Verbindungen enthalten kann. Gegebenenfalls lässt sich auch eine Emulsion verwenden. Die Substratlösung kann vorbehandelt sein, z.B. durch Entgasung, Sterilisation, Behandlung mit Aktivkohle oder dergl. Die Substratlösung kommt zuerst mit Enzympräparat in Berührung, das seine enzymatische Aktivität vollständig oder grösstenteils verloren hat. Die Substratlösung kann Verunreinigungen, z.B. Schwermetalle, enthalten, die das Enzym desaktivieren, indem sie sich physikalisch oder chemisch mit dem Enzym binden. In diesem Falle ist es von Vorteil, eine erste Zone einzusetzen, die eine grosse Anzahl an Enzymteilchen enthält, so dass sich hier die Verunreingigungen vollständig oder grösstenteils mit den Enzymteilchen binden, die alsdann aus dem System abgeführt werden. Die Konzentration des Substrats in der Lösung kann innerhalb weiter Grenzen schwanken, wobei jedoch die Lösung noch eine gute Fluidisierung erreichen soll. Wenn die Umwandlungsstufe Teil einer Synthese ist, kann die Substratkonzentration z.B. 40 Gew.% oder mehr sein, in den meisten Fällen jedoch zwischen 5 un 30 Gew.%, z.B. in Abhängigkeit von der Löslichkeit des Substrats. Dient die Umwandlung aber der Beseitigung von Verunreinigungen, so ist die Konzentration meistens viel niedriger, z.B. zwischen 0,01 und 1 Gew.%. Die Geschwindigkeit, mit der die Substratlösung durch die Säule geführt wird, hängt hauptsächlich von dem Fluidisationsverhalten der Enzymteilchen und von der Reaktoranordnung ab. Die optimale Strömungsgeschwindigkeit kann anhand theoretischer Berechnungen und Versuche bestimmt werden. In den meisten Fällen kann eine Strömungsgeschwiniglceit zwischen 0,005 und 0,20 m/s angewandt werden.

Die zu benutzenden teilchenförmigen Enzympräparate können auf verschiedene Weise hergestellt sein. Im allgemeinen werden Präparate aus teilchenförmigem organischem oder anorganischem Trägermaterial bevorzugt, an das das Enzym oder enzymhaltige Zellen oder Zellenreste unmittelbar oder über ein Kupplungsmittel chemisch gebunden sind, sowie durch Vernetzung von Enzymen oder Zellenmaterial erhaltene Präparate, mit oder ohne ein Füllmittel. Man kann aber auch z.B. Präparate verwenden, die durch Ausfüllen von Enzymen oder Zellenmaterial mit einem Flok-kungsmittel erhalten werden, oder Präparate, die durch Ein-kapselung von Enzymen oder Zellenmaterial in eine organische Polymerisatform oder durch Bindung von Enzymen oder Zellenmaterial an ein gegebenenfalls vernetztes Polymerisat erhalten werden.

Als Trägermaterial oder Füllstoff kommen z.B. besonders Glas, Sand, Silica, Kohlenstoff, Aluminium, Zirkonoxid,

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Titanoxid und Metalle, wie Nickel, in Betracht. Der Träger oder Füllstoff kann vorbehandelt sein, damit eine bessere Bindung gewährleistet ist. Als Kupplungsmittel kommen vorzugsweise polyfunktionelle Verbindungen, wie Glutaral-dehyd, Silane, Polyisocyanate, Azide, Polycabonsäuren und deren Anhydride in Betracht.

Die Abmessungen, die Form und das spezifische Gewicht der Enzympräparatteilchen werden vorzugsweise so gewählt, dass sie sich leicht fluidisieren lassen und unter Betriebsbedingungen keine oder nahezu keine Trennung in Fraktionen erfolgt. Bekanntlich besteht eine Beziehung zwischen dem Durchmesser und der Form der Teilchen, ihrem spezifischen Gewicht und der Strömungsgeschwindigkeit in einem fluidi-sierten Bett in der Flüssigphase. Wenn möglich, wird man die Abmessung und die Form der Teilchen derart wählen, dass die Bettexpansion bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 4 bis 5 cm/sec etwa bei 2 liegt. Das spezifische Gewicht der Teilchen hängt z.B. von der Menge und der Art des Füllstoffs ab. Es können aber auch andere Bedingungen vorliegen.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren können alle Enzyme benutzt werden, die in immobilisierter Form eine ausreichend grosse enzymatische Aktivität aufweisen. So können Enzyme verwendet werden, die zu den Klassen der Hydrolasen, der Oxidasen, der Isomerasen, der Ligasen und der Transferasen gehören. Beispiele sind Aminosäureacylase, Aminosäureamidase, Peptidase, Urease, Phenoloxidase, Inulase, Laktase, Asparaginase, Fumarase, Glukoseoxidase, Penicillinamidase, Hydantoinase, Trypsin, Papain, Chymo-trypsin, Aminopeptidase. Es kann auch eine Mischung aus Enzymen anstelle eines einzigen Enzyms verwendet werden. Auch kann man der Säule, an einer zwischen der Zufuhr und der Abfuhr von Enzymen gelegenen Stelle, noch eine zusätzliche Menge an teilchenförmigem immobilisiertem Enzym beigeben, das von demjenigen der oben der Säule zugeführten Enzyms verschieden sein kann.

Die Temperatur, bei der die Umwandlung stattfindet, kann innerhalb des Bereiches gewählt werden, der von dem Schmelzpunkt der Substratlösung und der Temperatur bestimmt wird, bei der das Enzym desaktiviert wird, im allgemeinen zwischen 0 und 80°C, insbesondere zwischen 20 und 60°C. Die zu wählende Temperatur hängt vorzugsweise von dem benutzten Enzym ab.

Der Druck, bei dem die Umwandlung erfolgt, ist z.B. unwichtig. In den meisten Fällen wird man z.B. bei etwa atmosphärischem Druck arbeiten. Wenn bei der Umwandlung z.B. gasförmige Reaktionsmittel verwendet werden oder gasförmige Produkte anfallen, kann es vorteilhaft sein, einen höheren Reaktionsdruck anzuwenden, um die gasförmigen Verbindungen in der wässrigen Phase gelöst zu halten. Beim Abbau z.B. von Harnstoff mit immobilisierter Urease kann ein Druck zwischen 5 und 10 bar angewandt werden, um Ammoniak und Kohlendioxid in Lösung zu halten. Die Anwesenheit gasförmiger Reaktionsmittel und Reaktionsprodukte muss jedoch nicht störend sein, so dass man auch einen niedrigeren Druck anwenden kann. In diesem Fall wird z.B. an der Oberseite der Säule ein Gas-Flüssigkeitsabscheider mit einer Gasabfuhr angebracht.

Den pH-Wert, bei dem die Umwandlung durchgeführt wird, wählt man so, dass z.B. die enzymatische Aktivität des immobilisierten Enzyms optimal ist. In den meisten Fällen wird es sich um einen pH-Wert z.B. zwischen 6,0 und 8,0 handeln. Gewisse Enzyme lassen sich jedoch auch bei einem wesentlich tieferen pH-Wert, z.B. zwischen 3,5 und 5, oder einem höheren pH-Wert, z.B. zwischen 8,5 und 10,5 verwenden.

Das Verfahren nach der Erfindung wird in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Durchführen einer chemischen Umwandlung in schematischer Darstellung in einer Ansicht; und

Fig. 2 eine andere Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Umwandlung schematisch in einer Ansicht.

Nach Fig. 1 ist ein säulenförmiger Reaktor 1 an der Unterseite mit einer Zufuhrleitung 2 für Substratlösung und an der Oberseite mit einer Abfuhrleitung 3 für die Lösung des umgewandelten Produkts versehen. Weiterhin ist oben eine Zufuhrleitung 4 für immobilisiertes, teilchenförmiges Enzym in Trockenform oder in Form einer wässrigen Suspension angeschlossen. Der Reaktor 1 ist durch waagerechte Siebplatten 5, 5', 5" usw. in Kammern unterteilt, die jeweils ein fluidisiertes Bett 6,6', 6" usw. aus Enzymteilchen enthalten. Die Kammern sind durch Überlaufrohre 1,1' ,1" usw. miteinander verbunden. Das Überlaufrohr 8 der untersten Kammer mündet in eine Abfuhrleitung 9 mit Absperrhahn 10 für das abgearbeitete Enzym. Unter Betriebsverhältnissen ist die Säule vollständig mit Flüssigkeit gefüllt und die Substratlösung wird von unten nach oben durch die Säule 1 geleitet.

Die Wirbelbetten 6,6', 6" usw. reichen normalerweise nicht ganz bis zur oberen Mündung der Überlaufrohre 1,1', 1" usw. In gewissen Zeitabständen wird frisches Enzym aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter über einen Hahn 11 und eine Leitung 4 in einer gewissen Menge in die oberste Kammer eingespeist. Dies verursacht einen Transport von Enzym nach unten durch die Säule 1 und die Abfuhrleitung 9 von Enzym über das Überlaufrohr 8, die Leitung 9 und den Hahn 10. Die Abfuhrleitung 3 ist mit einem Gas-Flüssigkeits-abscheider 12 versehen, der aber auch weggelassen werden kann. Um die Anwesenheit von Enzym im Produktstrom zu vermeiden, kann die Abfuhrleitung 3 an einem Filter angeschlossen werden, durch welches sehr feine Teilchen, welche möglicherweise von der Flüssigkeit mitgerissen sein könnten, aufgefangen und entfernt werden können.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist ein säulenförmiger Reaktor la mit Siebplatten 2a versehen, die ihn in Kammern a, b, c, d, e unterteilen. Ferner ist er mit einer Zufuhrleitung 3a für die Substratlösung, einer Abfuhrleitung 4a für die Prozessflüssigkeit, die das umgewandelte Substrat enthält, und einer Zufuhrleitung 5a für frisches, teilchenförmiges Enzym versehen. Jede Kammer a bis e enthält eine Leitung 6a, 6'a, 6"a, 6"'a, 6""a, die in eine gemeinsame Leitung 7a ausmündet, die andererseits in einen Lagerbehälter 8a führt. Der Behälter 8a enthält an seiner Oberseite eine Flüssigkeitsabfuhrleitung 9a, die an der Saugseite einer Pumpe 13 angeschlossen ist. Der Behälter 8a ist ferner mit einer Flüssigkeitszufuhrleitung 10a versehen, die an die Druckseite der Pumpe 13 angeschlossen ist. Eine Leitung 11 a verbindet die Leitung 4a mit der Saugseite der Pumpe 13, und eine Leitung 14 verbindet die Druckseite der Pumpe 13 mit der Leitung 3 a. Die Ventile 15,15', 15", 5"', 15"" sind in den Leitungen 6a bis 6"" a angebracht. Die Leitungen 9a, 10a, IIa bzw. 14 enthalten je ein Ventil 16, 18, 17 bzw. 19. An die Leitung 7a ist eine Abfuhrleitung 12a mit dem Ventil 20 für die Abfuhr von Enzym angeschlossen. Bei Betrieb ist das ganze System mit Flüssigkeit gefüllt und sind sämtliche Ventile geschlossen. Die Substratlösung durchströmt die Säule la und hält das in die Kammern a bis e befindliche Enzym in fluidisiertem Zustand. Beim Transport von Enzymen wird zuerst die Kammer e entleert. Während die Zufuhr von Substratlösung nach wie vor ungeändert bleibt, werden die Pumpe 13 angefahren und die Ventile 15, 16 und 19 geöffnet. Dadurch werden die Enzymteilchen aus der Kammer e in fluidisierter Form oder als Suspension über die Leitungen 6a und 7a in den Behälter 8a geführt. Der umgepumpte Flüssigkeitsstrom

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ist gering, so dass sich der Zustand in den anderen Kammern a bis d kaum ändert. Die Leitung 7a mündet unten in einen verengten Teil des Behälters 8a aus, um die Abfuhr der Teilchen zu fördern (bleibende Fluidisierung). Da der durch die Leitungen 9a und 14 umgepumpte Flüssigkeitsstrom gering ist, sammeln sich die Enzymteilchen in fluidisiertem Zustand im Behälter 8a an und die Leitungen 9a und 14 sowie die Pumpe 13 bleiben frei von Feststoffen. Wenn alles Enzym aus der Kammer e entfernt ist, werden die Ventile 15,16 und 19 geschlossen und die Ventile 17,18 und 20 geöffnet. Die Enzymteilchen werden jetzt aus dem Behälter 8a herausgedrückt und über die Leitungen 7a und 12a abgeführt. Alsdann wird auf die oben beschriebene Weise der Inhalt der Kammer d in den Behälter und danach in die Kammer e geleitet. Ebenso bringt man den Inhalt der anderen Kammern in eine tiefer gelegene Kammer. Zum Schluss wird eine Beschickung frischer Enzymteilchen in die oberste Kammer a gebracht. Wenn gewünscht, können die einzelnen Leitungen, Ventile und der Zwischenlagerbehälter mit Anschlüssen an einem Spülsystem mit reinem Wasser versehen werden.

Es wird daraufhingewiesen, dass die Leitungen 6a bis 6"" a schräg in die Wirbelbetten hineinragen, unter einem Winkel von z.B. 30 bis 80° gegenüber der Horizontalen geneigt. Dadurch bleiben sie bei geschlossenen Ventilen 15 bis 15"" innen frei von Festteilchen. Der verengte Unterteil des Zwischenlagerbehälters 8a ist von Bedeutung, damit sämtliche Enzymteilchen mit Hilfe der Druckleitung wieder aus dem Behälter abgeführt werden können. Ferner ist es vorteilhaft, dass vor dem Entleeren der Kammern als Fördermedium Substratlösung verwendet wird, die wiederum der Säule zurückgeführt wird, und dass zum Füllen der Kammern als Medium die austretende substratfreie Flüssigkeit benutzt wird. Es tritt also keine Kontamination auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Reaktor mit fünf Kammern dargestellt. In der Praxis kann bei dieser Ausführungsform ein Reaktor mit einer grösseren Anzahl von Kammern eingesetzt werden, z.B. 10 oder mehr.

Wenn die Abscheider aus einer Siebplatte mit Löchern bestehen, deren Durchmesser grösser als der Durchmesser der Enzymteilchen ist, könnten diese Teilchen durch die Säule nach unten fallen und sich unten ansammeln, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Substratlösung sich z.B. bei einer Störung stark verringern würde. Um dies zu vermeiden, kann man einen andersartigen Abscheider, z.B. einen Glok-kenboden, verwenden, oder es können Widerstände eingebaut werden. Eine sehr vorteilhafte Lösung besteht darin,

dass man über jeder Reihe von Löchern einen im Querschnitt dreieckigen Balken anbringt, so dass dessen Basis, welche breiter als der Durchmesser der Löcher ist, sich in sehr geringem Abstand über der Oberfläche der Siebplatte befindet. Die Substratlösung kann frei durch die Löcher und den Spalt zwischen Platte und Balken nach oben fliessen. Wird die Fluidisierungsgeschwindigkeit unterschritten, so sammeln sich die Enzymteilchen im trogförmigen Raum zwischen den nebeneinander liegenden Balken an und lagern sich dort ab. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit wieder genügend hoch ist, werden die Teilchen aufgewirbelt und wieder fluidisiert. Die Erfindung wird weiterhin anhand nachstehender Beispiele erläutert.

Beispiel 1

In ein 5-Litergefäss werden unter Rühren 150 g Sand (Korngrösse 175 bis 250 (im) und unter Stickstoff 2150 ml Fermentationsflüssigkeit zugegeben, die durch Züchten von Bacillus pasteuri erhalten worden ist. Danach werden in 10 Minuten 350 ml einer 0,l%igen Lösung eines Ausflockungsmittels (Praestol 44 K) zugesetzt, wonach man noch 15 Minuten rührt. Der Niederschlag wird abfiltriert und dreimal mit 300 ml Wasser gewaschen, das 1 mMol/1 Mercaptoätha-nol enthält. Die Festmasse, bestehend aus Sand und Zellmaterial, wird während 2,5 Stunden bei 55°C und einem Druck von 16 kPa getrocknet. Man erhält 151,2g trockenes Festprodukt. In einer nächsten Stufe werden 149 g Festmasse unter Zugabe von Stickstoff in ein Gemisch von 175 ml Aceton und 69 ml einer wässrigen Lösung von Mercaptoäthanol (1 mMol/1) eingerührt. Dieser Suspension werden bei Zimmertemperatur innerhalb von 2 Minuten 6,5 ml einer 20%igen wässrigen Lösung von Glutardialdehyd mit einem pH-Wert von 7,0 zugesetzt, wonach man noch 20 Minuten rührt. Die Festmasse wird dann abfiltriert, viermal mit 150 ml einer wässrigen Mercaptoäthanollösung (1 mMol/1) gewaschen, während 2 Stunden bei 50°C und verringertem Druck (16 kPa) getrocknet und gemahlen. Die Ureaseaktivität des körnigen Produkts ist 28,5 Einheiten je Gramm Feststoff.

Die Aktivität wird bestimmt, indem 2,0 g Feststoff zu 50 ml einer 2%igen Harnstofflösung in einem 0,1 molären Glycin-puffer nach Sörensen mit einem pH-Wert von 9,2 bei einer Temperatur von 40°C gegeben werden. Die in 15 Minuten bei 40°C gebildete C02-Menge wird kolorimetrisch bestimmt. Die Aktivität wird in Einheiten ausgedrückt. Eine Einheit ist die Substratmenge in Mikromol, die je Gewichtseinheit Enzym in der Minute umgewandelt wird.

Wenn die Korngrösse des Sands über 250 (im ist, wird teilchenförmiges immobilisiertes Enzym mit einer Aktivität von 26,6 Einheiten je Gramm Feststoff erhalten.

Diese Präparate können im nachstehend beschriebenen Apparat verwendet werden.

Beispiel 2

Ein Reaktor zum Anwenden des erfindungsgemässen Verfahrens besteht z.B. aus einem Rohr mit einem Innendurchmesser von 114 mm und einer Länge von 2200 mm, in dem sechs Platten mit gegenseitigem Abstand von 300 mm voneinander angebracht sind. Jede Platte ist mit 42 Löchern von 2 mm Durchmesser versehen mit unmittelbar darüber eingebauten dreieckigen Balken und wird durch ein Überlaufrohr mit einem Innendurchmeser von 11 mm durchsetzt, das um 100 mm über und um 280 mm unter die Platte hinausragt. An der Unterseite bzw. am unteren Ende ist jedes Überlaufrohr auf einen Durchmesser von 5 mm verengt. Unten ist das Rohr mit einem Auffanggefäss mit Ablasshahn für abgearbeitetes Enzym und einer Flüssigkeitszufuhrleitung verbunden. An der Oberseite ist das Rohr mit einer Flüssigkeitsabfuhrleitung versehen. Der Apparat lässt sich bei Strömungsgeschwindigkeiten bis 0,05 m/s einsetzen. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,01 m/s ist die Bettexpansion etwa 2, wenn unregelmässig ausgebildete Teilchen mit 176 bis 380 (im Durchmesser und einem spezifischen Gewicht von 2640 kg/m3 benutzt werden. Bei Verwendung von Teilchen mit einem Durchmesser von 516 bis 840 um wird eine Bettexpansion von 2 bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,025 m/s erreicht.

Beispiel 3

Abwasser das 1,0 Gewichts-% Harnstoff enthält kann mit dem erfindungsgemässen Verfahren in einer Reaktorsäule mit einer Länge von 9,45 m und einem Innendurchmesser von 1,20 m behandelt werden, die durch waagerechte Siebplatten in zwölf Kammern unterteilt ist, die jeweils eine Höhe von 0,67 m aufweisen. Die Siebplatten sind auf die im Beispiel 2 beschriebene Weise konstruiert und mit Überlaufrohren versehen, welche bis 0,46 m über die Siebplatten hinausreichen. Die Säule enthält an der Unterseite eine Flüssigkeitszufuhrleitung und an der Oberseite eine Flüssigkeitsabfuhrleitung. In die oberste Kammer mündet eine Zufuhrleitung für immobilisiertes Frischenzym ein, und das Über5

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laufrohr der untersten Kammer ist mit einer Abfuhrleitung verbunden.

Ein geeignetes Enzympräparat wird erhalten, indem man Urease enthaltendes Zellmaterial aus einer Kultur von Bacillus pasteurii zusammen mit Sand als Füllstoff in einem Gewichtsverhältnis von 1 zu 5 immobilisiert. Es werden flui-disierbare Teilchen mit einer durchschnittlichen Korngrösse von 300 bis 700 jj.m, einem spezifischen Gewicht von 1780 kg/m3, einer Aktivität von 300 Einheiten/g und einer Halbzeit von 1000 Stunden erhalten. Die Fluidisierungsgeschwindigkeit ist 0,0035 bis 0,025 m/s. In der Säule wird stündlich 30,9 m3 Abwasser eingespeist mit einem pH von etwa 9, einer Temperatur von 35°C und einem Druck von 300 kPa. Jede Kammer enthält 453 kg Enzymteilchen, in der Form eines 0,45 m hohen Wirbelbettes.

Der Gehalt an Harnstoff im gereinigten Abwasser und die s Restaktivität des abgeführten Enzyms werden bedingt durch die Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Frischenzyms. Falls einmal pro 48 Stunden 72 kg Frischenzym eingespeist werden, so wird ein Harnstoffgehalt von etwa 10 ppm und eine Restaktivität von etwa 9% erhalten werden. Falls einmal io pro 48 Stunden 100 kg Frischenzym zugeführt wird, so wird ein Harnstoffgehalt von etwa 2 ppm und eine Restaktivität von etwa 16,5% erhalten.

1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum Durchführen einer chemischen Umwandlung, indem eine Lösung eines Substrats mit teil-chenförmigem immobilisiertem Enzym in Berührung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratlösung durch eine Reihe in Serie geschalteter getrennter Wirbelbetten aus teilchenförmigem Enzym geleitet wird und das Enzym diskontinuierlich entgegen der Strömungsrichtung der Substratlösung von einem Wirbelbett einem nächstfolgenden Wirbelbett zugeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung in einem Säulenreaktor stattfindet, der durch waagerechte, für die Substratlösung durchlässige Abscheider in mehrere Kammern unterteilt ist, die je ein Wirbelbett aus teilchenförmigem Enzym enthalten, und die mit Mitteln für den Transport des Enzyms von einer Kammer zur nächstfolgenden Kammer versehen sind.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das teilchenförmige Enzym über ein Überlaufrohr von einer Kammer einer nächtstfolgenden Kammer zugeleitet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das teilchenförmige Enzym über Öffnungen in einem Abscheider zwischen zwei Kammern von einer Kammer in eine nächstfolgende Kammer befördert wird, welche Öffnungen derart gebildet sind, dass sie bei einer Strömungsgeschwindigkeit über einem gewissen Schwellenwert keine Enzymteilchen durchlassen, bei einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen diesem Schwellenwert und der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit jedoch Enzymteilchen durchlassen.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktor mit Kammern verwendet wird, die jede eine abschliessbare Leitung besitzen, die in einen gemeinsamen Lagerbehälter ausmünden, aus dem oben mittels eines Anschlusses Flüssigkeit herausgeführt wird, und dem mit einem Anschluss Flüssigkeit zugeführt wird, derart, dass Enzymteilchen in fluidisiertem oder suspendiertem Zustand von einer Kammer in den Lagerbehälter befördert werden können und von da aus wieder in eine weitere Kammer.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in jede Kammer ausmündende Leitung in der Kammer einen Winkel zwischen 30° und 80° mit der Horizontalen einschliesst.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man ein teilchenförmiges immobilisiertes Enzym mit einem spezifischen Gewicht über 1,0 verwendet, das diskontinuierlich die Säule von oben nach unten durchläuft, während die Substratlösung die Säule von unten nach oben durchläuft.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Säule abgeführte Enzym weniger als 15% seiner ursprünglichen Aktivität besitzt.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeführte Enzym weniger als 5% seiner ursprünglichen Aktivität besitzt.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Säule 5 bis 20 Kammern enthält, in denen das Wirbelbett aus teilchenförmigem immobilisiertem Enzym vorliegt.
11. 11. Vorrichtung zur Durchführung chemischer Umwandlungen mit dem Verfahren nach Anspruch 1, bestehend aus einer in mehrere übereinanderliegende Kammern unterteilten Säule, wobei die Kammern durch waagerechte, flüssigkeitsdurchlässige Abscheider getrennt sind, welche Säule an der Oberseite mit einer Flüssigkeitsabfuhrleitung und einer Zufuhrleitung für teilchenförmiges immobilisiertes

    Enzym versehen ist, an der Unterseite mit einer Flüssigkeitszufuhrleitung und einer Abfuhrleitung für teilchenförmiges immobilisiertes Enzym sowie mit Mitteln für den Transport von teilchenförmigem immobilisiertem Enzym in fluidisiertem oder suspendiertem Zustand von einer Kammer in die daruntergelegene Kammer.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die Beförderung von Enzym aus Überlaufrohren bestehen, die durch die waagerechten Abscheider hindurchragen und sich an der Unterseite bis auf kurze Entfernung über den Abscheider der darunterliegenden Kammer erstreckt.