CS257307B1 - Zařízení pro styk pevné a kapalné fáze zejména pro biokatalysy - Google Patents

Abstract

Zařízení pro styk pevné a kapalné fáze zejména pro biokatalýzy sestává z míchací nádoby, ve které je umístěna stacionární kazeta pro náplň částic pevné fáze, jejíž stěny jsou alespoň částečně perforované, uvnitř které je vytvořena alespoň jedna dutina, v níž je uloženo rotační cirkulační míchadlo pro kapalnou fázi. Míchadlo umožňuje nepřetržité cirkulační proudění kapaliny skrze částice pevné fáze, které jsou umístěny ve stacionerní kazetě nad nebo pod hladinou kapaliny. Použití je zejména v chemickém inženýrství a biotechnologiích .

Description

Vynález se týká zařízení pro styk pevné a kapalné fáze zejména pro biokatalýzy.

Při některých pochodech, zejména fyzikálních nebo chemických je třeba, aby tekutina proudila vrstvou porézního, zrnitého nebo podobného materiálu. Je známo, že vrstvy těchto materiálů podstatně zvětšují povrch styku mezi kapalnou a pevnou fází v daném objemu zařízení, čímž podstatně urychlují uvedené pochody.

K nejběžnějším případům využití těchto jevů patří fyzikální adsorpce, chemisorbce (nebo opačný pochod desorpce), katalytické reakce (nosič s aktivní vrstvou) apod.

V poslední době nabývají význam biologie a biotechnologie, které využívají styku kapalné fáze s aktivovanými pevnými nosiči na bázi makroporézních polymerů a kopolymerů, hydrofilních past nebo gelů, ionexů. Patří sem rovněž biokatalytlcké reakce pomoci imobilizovaných enzymů a buněk a biokonverze.

U všech těchto a řady dalších pochodů se vyžaduje, aby tekuté médium například kapalné, pronikalo, prosakovalo, prolínalo nebo proudilo skrze vrstvu pevného reakčního činidla, aby se dosáhlo požadované změny, přičemž takovou změnou je obvykle výměna nebo změna některé hmotové složky mezí tekutou a pevnou fází.

Pro tyto účely se používá například zařízení, obsahující nádobu s kapalným reakčním médiem a míchadlem, které má například tvar bezlopatkového válcového dutého rotoru, který sestává z pláště, dna, případně víka (AO 228 221, AO 228 350). Obsahuje vstupní a výstupní otvory případně vstupní otvor ve dnu rotoru s výhodou centrální. V dutině rotoru míchadla jsou pak uloženy částice pevné fáze nebo například reakční činidlo průlinčité konzistence (AO 255 257, AO 256 203).

Náplň s částicemi pevné fáze může být umístěna s výhodou v kazetě s perforovaným horním a dolním víkem, která je zasouvatelná do těla míchadla, kde je zafixována (AO 257 306).

Otáčející rotor míchadla nasává tekutinu otvorem například ve středu dna a tekutina působením odstředivé síly je pak protlačována skrze pevnou fázi uloženou v míchadle.

Náplň s částicemi pevné fáze se otáčí spolu s míchadlem, což je nevýhodné zejména z mechanického hlediska u zařízení větších rozměrů (velké odstředivé síly).

Tyto nevýhody odstraňuje zařízeni pro styk pevné a kapalné fáze dle vynálezu, jehož podstatou je, že v míchací nádobě je umístěna stacionární kazeta pro náplň částic pevné fáze, jejíž stěny jsou alespoň částečně perforované, uvnitř které je vytvořena alespoň jedna dutina, v níž je uloženo rotační cirkulační míchadlo pro kapalnou fázi. Náplň s částicemi pevné fáze se tedy neotáčí, ale je obsažena ve stacionární kazetě uvnitř míchací nádoby.

Další výhodou je, že pro cirkulaci kapalné fáze skrze pevnou fázi, může být použito každé mechanické míchadlo, které při otečení způsobuje cirkulaci tekutiny v míchací nádobě, například lopatkové, vrtulové, šnekové nebo turbínové míchadlo. Přitom nezáleží na směru cirkulace. Podstatné je, aby stacionární kazeta s náplní pevné fáze byla vložena vždy do směru proudící kapalné fáze v míchací nádobě a aby ve směru proudění kapaliny se nacházely i její perforované stěny, kterými vstupuje nebo vystupuje kapalina do kazety a z kazety.

Stacionární kazeta pro náplň částic pevné fáze může mít některé stěny perforované, některé stěny bez perforace. Může být zcela uzavřená nebo otevřená tj. například bez dna nebo víka tj. bez dolní nebo horní stěny. Kazeta může být samostatná například zasouvatelná do míchací nádoby nebo může být součástí míchací nádoby. Kazeta nebo míchací nádoba může být rovněž opatřena různými nástavci, usměrňujícími; Kok cirkulující kapalné fáze.

U perforovaných stěn kazety je príytaěr otvorů'menší než průměr částic pevné fáze, které mohou být ve formě suspenze, průlinčité pasty, kuliček, části nepravidelného tvaru, různé specifické hmotnosti apod. Perforovanými stěnami se rozumí i průlinčité fólie, kovové sítky, textilní materiály s definovanou porozitou apod.

Dutina, v níž je uloženo rotační cirkulační míchadlo pro kapalnou fázi a která je vytvořena v kazetě, může mít různý tvar uzpůsobený velikosti a účinku mechanického raíchadla např. tvar válcové trubice.

Jako mechanické míchadlo může být použito pro tento účel též bezlopatkové válcové míchadlo bez náplně pevné fáze (AO 228 221, AO 228 350) zcela nebo jen částečně potopené pod hladinou míchaného tekutého média.

Vyčnívá-li horní část tohoto míchadla nad hladinu média, tj. kapalné médium je navíc rozstřikováno do prostoru nad hladinou, může rovněž stacionární kazeta pro náplň částic pevné fáze dle vynálezu částečně vyčnívat nad hladinu média. Tímto způsobem může být pevná fáze, nacházející se v kazetě nad hladinou média, zkrápěna kapalným médiem např. ve vzduchovém prostoru (zařízení může mít např. funkci zkrápěné kolony, viz obr. 1). Přitom spodní část kazety a bezlopatkového míchadla zůstává pod hladinou média. Např. u aeračních biokonver2Í se tím zvýší přístup do částic pevné fáze, které se nacházejí nad hladinou média.

Uvedené bezlopatkové válcové míchadlo umožňuje též použití dvou nebo více druhů náplní pevné fáze ve styku s jednou kapalnou fází a to tak, že jeden druh náplně je umístěn ve stacionární kazetě dle vynálezu a druhý druh náplně uvnitř otáčejícího se míchadla apod. (viz AO 255 257 a další).

Na přiloženém výkresu jsou schematicky znázorněny v nárysu příklady zařízení pro styk pevné a kapalné fáze zejména pro biokatalýzy podle vynálezu. Na obr. 1 je znázorněna kazeta válcovitého tvaru uložená na dně nádoby s dutinou, ve které je umístěno bezlopatkové válcové míchadlo, přičemž jeho horní část i část kazety s náplní vyčnívá nad hladinu kapalné fáze.

Na obr. 2 je zobrazeno zařízení, ve kterém je kazeta tvaru trubice s náplní pevné fáze uchycená vzpěrami ke dnu nádoby a pod náplní je umístěno vrtulové míchadlo; na obr. 3 je kazeta přichycena vzpěrami ke stěně reakční nádoby a má tvar dutého prstence, uvnitř kterého je umístěno šnekové míchadlo. Na obr. 4 má kazeta tvar nízké válcové trubice s náplní tvaru prstence, uvnitř které je lopatkové míchadlo nebo turbinka. U obr. 2, 3 a 4 jsou kazeta i míchadlo zcela potopeny v kapalné fázi.

Na obr. 1 je schematicky v nárysu znázorněna fermentační nádoba 1_, na jejímž dně £ je umístěna kazeta 2 s perforovanými stěnami £ s náplní pevné fáze 10. V dutině kazety 2_ je umístěno bezlopatkové válcové míchadlo 2 (AO 228 221 a AO 228 350), které se pomocí hřídele otáčí v ložisku 8.. Kazeta 2 je součástí nádoby 2 a tvoří její spodní část. Plnění kazety pevnou fází 10 lze provést odnímatelným dnem fermentační nádoby 2·

Horní část válcového bezlopatkového míchadla 2 i kazety 2 s náplní pevné fáze 10 vyčnívá nad hladinu kapalné fáze 11.

Při otáčení míchadla 2 3^e kapalná fáze 11 nasávána z prostoru náplně pevné fáze 10 a vystupuje ve tvaru kapalného povrchového paraboloidu, který vytvářejí odstředivé síly uvnitř válcového míchadla 2*'^ hornímu okraji válcového míchadla 2· Odtud je kapalná fáze 11 přes horní okraj míchadla 2 rozstřikována ve formě kapiček, které zkrápí náplň pevné fáze 22./ která se nachází ve vzduchovém prostoru nad hladinou kapalné fáze 11, dále prostupuje pevnou fází 10 od shora dolů a je opět nasávána míchadlem 2·

V části pod hladinou je kapalná fáze intenzivně promíchávána, zatímco v části nad hladinou je kapalná fáze rozstřikována nad hladinou.

Na obr. 2 je znázorněna fermentační nádoba 2 ^s válcovou kazetou 2 ^s náplní pevné fáze 10, jejíž dolní stěna 4 (dno) je perforovaná. Horní část kazety 2 zůstává otevřena v úrovni hladiny kapalné fáze 11. Kazeta 2 í^e upevněna ke dnu 6> nádoby 1_ tyčovými vzpěrami 5. Mezi dnem J5 a perforovanou stěnou 4_ kazety 2_ je upevněno na hřídelí Ί_ vrtulové cirkulační míchadlo 2, otáčející se v ložisku 2· Hrdlo 12 umožňuje sterilní plnění pevné fáze 10 do kazety 2·

Při otáčení míchadla 2 je kapalná fáze 11 nasávána skrze pevnou fázi 10, nacházející se v kazetě 2_ a vytlačována kolem vzpěr 2 vzhůru nádobou, načež přepadává přes okraj kazety 2 zpět do kazety 2. Tím nastává nepřetržitá cirkulace kapalné fáze 11 skrze pevnou fázi 10 Kazeta 2_ i míchadlo 3_ jsou potopeny zcela pod hladinu kapalné fáze 11.

Na obr. 3 je znázorněno zařízeni dle vynálezu, u kterého kazeta Q s náplni pevné fáze 10 má tvar prstence a zařízení je opatřeno šnekovým míchadlem Q, uloženým ve středu tohoto prstence.

Kapalná fáze 11 je nasávána šnekových míchadlem 2 z prostoru pevné fáze 10 a vytlačována směrem vzhůru k hladině, načež se vrací zpět do kezty 2 s pevnou fází 10, kterou nepřetržitě cirkuluje.

Obr. 4 je další alternativa zařízení podle vynálezu, u kterého lopatkové míchadlo 2 je umístěno uvnitř kazety 2, která má tvar nízké válcové trubice a je opatřena trubicovým nástavcem 9. Pevná fáze 10 ve tvaru prstence je umístěna v obvodu kazety 2.

Kapalná fáze 11 je nasávána nástavcem 9 kazety 2 pomocí lopatkového míchadla 2 ^a odstředivou silou míchadla 2 tlačenou skrze pevnou fázi 10, umístěnou v kazetě 2.

Použití míchadla podle vynálezu je zejména v chemickém inženýrství, biotechnologiích a při aeračních fermentacích mikroorganismů.

Claims (2)

1. Zařízení pro styk pevné a kapalné fáze zejména pro biokatalýzy sestávající z míchací nádoby a rotačního míchadla, s alespoň jednou dutinou pro uložení částic pevné fáze, vyznačené tím, že v míchací nádobě (1) je umístěna stacionární kazeta (2) pro náplň částic pevné fáze (10), jejíž stěny (4) jsou alespoň částečně perforované, uvnitř které je vytvořena alespoň jedna dutina, v níž je uloženo rotační cirkulační míchadlo (3) pro kapalnou fázi (11).
2. 2 výkresy