CZ162490A3

CZ162490A3 - Apparatus for carrying out a biocatalytic process with a biocatalyst in solid phase

Info

Publication number: CZ162490A3
Application number: CS901624A
Authority: CZ
Inventors: Csaba Dr Ing Sisak; Peter Ing Komaromy; Andrea Ing Egresi; Ilona Harsanyi; Bela Dr Szajani
Original assignee: Magyar Tudomanyos Akademia; Reanal Finomvegyszergyar
Priority date: 1989-04-01
Filing date: 1990-04-02
Publication date: 1993-10-13
Also published as: CZ280149B6

Abstract

A biocatalytic processor has the reaction space, contg. the liquid phase and a solid-phase biocatalyst, sepd. from the volume in which the main gas-liquid interface occurs. The reaction space has a filter to retain the solid-phase biocatalyst, leading to a recirculating pipe where the gas-liquid interface occurs. The recirculating pipe has a suction branch before a circulating pump and a pressure branch thereafter, the pressure branch returning to the reaction space. The pressure branch is provided with a flow-accelerating element, a gas inlet and gas dispersing elements. Pref. the vol. of the circulating pipe is less than 10% of that of the reaction space, and the length of the pressure branch exceeds that of the suction branch by many times. A drop-forming unit also allows the formation of sterile catalyst particles.

Description

Vynález se týká přístroje pro provádění biokatalytických postupů s biokatalyzátorem v pevné fázi.The invention relates to an apparatus for carrying out biocatalytic processes with a solid-state biocatalyst.

Jedním z nejdynamičtěji se rozvíjejících oborů biotechnologie je ten, který se zabývá reakcemi, prováděnými s použitím biokatalyzátorů v pevné fázi. Biokatalyzátory v;pevné fázi se připravují imobilizační technikou tak, aby se katalyticky aktivní biologické materiály lokalizovaly v reakčním prostoru a aby se zabránilo jejich pronikání do tekoucí fáze (J. Chem. Tech. Biotech., 1984, 34. 127). Biokatalyzátory v pevné fázi je možné připravit imohillzací izolovaných enzymů, mrtvých buněk nebo buněčných částí nebo živtfých buněk (mikroorganismů, rostlinných nebo živočišných buněk). V konkrétním případě je nejvhodnější možnost vybrána s ohledem na cenu a/nebo stabilitu biokatalyzátoru.One of the most dynamically developing fields of biotechnology is one that deals with reactions performed using solid-state biocatalysts. Solid phase biocatalysts are prepared by an immobilization technique so that catalytically active biological materials are located in the reaction space and prevent their penetration into the flowing phase (J. Chem. Tech. Biotech., 1984, 34, 127). Solid-phase biocatalysts can be prepared by immobilizing isolated enzymes, dead cells or cell parts or viable cells (microorganisms, plant or animal cells). In a particular case, the most suitable option is selected with regard to the cost and / or stability of the biocatalyst.

Použití biokatalyzátoru v pevné fázi má značné ekonomické výhody ve srovnáni s tradičními biokatalytickými procesy:The use of a solid-state biocatalyst has considerable economic advantages over traditional biocatalytic processes:

- procesy je možné provédět kontinuálně nebo semikontinuálně,- processes can be carried out continuously or semi-continuously,

- zvýši se objemová produktivita,- volume productivity will increase,

- sníží se náklady na provádění procesu a na získávání produktu.- the cost of carrying out the process and obtaining the product will be reduced.

V případě produkce sekundárních metabolitů pomocí fermentace s imobilizovanými buňkami je .další výhodou snažená viskozita fermentaSního média při kontinuální fermentací, Símž se zlepší přenos kyslíku· Také je možné se vyhnout urŠitým problémům s přemnožením buněk a sníží se ztráty chemicky nestabilních produktů (Biotechnol. Bioeng. 183, 2£, 2399 - 2411).In the case of the production of secondary metabolites by fermentation with immobilized cells, a further advantage is the sought-after viscosity of the fermentation broth during continuous fermentation, which improves the oxygen transfer. 183, 24, 2399-2411).

K provádění procesů s biokatalyzátorem v pevné fázi byla vyvinuta řada různých typů reaktorů V průmyslovém měřítku se nejSastěji používá tzv. náplňový reaktor, například pro izomerizaci glukosy, štěpení aminokyselin na enantiomery nebo ethanolovou fermentací (fihem. Eng. Sci., 1985, 40. 1231 - 1354). Reaktory s fluidní vrstvou se v průmyslovém měřítku používají pro čištění odpadních vod pomocí imobilizovaných buněk (J. Walter Follut, Control Fed. ,-,..1977, 42» 816). Existuje také příklad pro použití membránového reaktoru v průmyslovém měřítku (Chem. Ing. Techn., 1988, 60, 16 - 23).A variety of different reactor types have been developed to carry out solid-phase biocatalyst processes. The so-called packed reactor is most commonly used on an industrial scale, for example for isomerization of glucose, cleavage of amino acids into enantiomers or ethanol fermentation (fihem. Eng. Sci., 1985, 40. 1231) - 1354). Fluidized bed reactors are used on an industrial scale for wastewater treatment using immobilized cells (J. Walter Follut, Control Fed., 1977, 42, 816). There is also an example for the use of a membrane reactor on an industrial scale (Chem. Ing. Techn., 1988, 60, 16-23).

Je známo několik typů poloprovozních a laboratorních reaktorů. NejSastěji používané náplňové reaktory a reaktory s fluidní vrstvou byly vyvinuty ve více stupňové podobě (horizontální nebo vertikální kaskádové konstrukce) mimo jiné proto, aby se zabránilo obohacování média oxidem uhličitým, který je produkován během procesu (J. Chem. Tech. Biotech., 1987, 32» 7£ - 84), nebo aby se snížilo axiální zpětné promíchávání roztoku substrátu (Proč. 4th Eur. Congr. Biotech. sv. 1, 1987, 273 až 276).Several types of pilot plant and laboratory reactors are known. The most commonly used packed and fluidized bed reactors have been developed in multi-stage form (horizontal or vertical cascade structures), inter alia, to prevent the enrichment of the medium by the carbon dioxide produced during the process (J. Chem. Tech. Biotech., 1987 , 32-7-84), or to reduce axial back-mixing of the substrate solution (Proc. 4th Eur. Congr. Biotech. Vol. 1, 1987, 273-276).

Tzv. cirkulační reaktory s vnější nebo vnitřní cirkulací se používají hlavně pro fermentace s imobilizovanými buňkami. (Biotech. Bioeng. 1987, 30 . 498 až 504; J. Chem.Tzv. Circulation reactors with external or internal circulation are mainly used for fermentations with immobilized cells. (Biotech. Bioeng. 1987, 30, 498-504; J. Chem.

Tech. Biotechnol. 1986, Jg, 415 až 426).Tech. Biotechnol. 1986, Jg, 415-426).

Ačkoliv existuje řada typů reaktorů (jak je ukázáno v předchozím textu) pro biokatalýzu s biokatalyzátorem v pevné fázi, dále zůstává mnoho problémů spojených s konstrukcí reaktorů nevyřešeno, zejména v těch procesech, kde jeden ze substrátů je v plynná fázi (obvykle kyslík). Přenos plyn-kapalina je ve většině tradičních biokatalytických systémů zvláště významný, například pro aerobní mikroorganismy by rychlost přenosu kyslíku (OTR) měla dosahovat hodnoty 150 mmol/dnP/h. Pro efektivní využití užitečného objemu zařízení by zmíněné hodnota OTR měla být dosažena pomocí rozumně vysoká aerace (1 - 1,5 Wlí). Protože přítomnost částic nosiče, sloužících k imobllizacl bloaktivních materiálů, v mnoha případech zhoršuje přenos hmoty mezi plynem a kapalinou (zrna částic podporují shluŤ H kování bublin plynu, srovnej Proč. 4 Eur. Congr. Biotech. 1987, sv. 1, 101 až 104), může se v třífázových fluidních probublávaných kolonách nebo cirkulačních reaktorech, vybavených tradičními distributory gynu, dosáhnout maximálně zlomku výše zmíněné hodnoty OTR (Chem. Eng. Sci., 1987, 42. 543 až 553; Biotech. Bioeng. 1988, ^2, 677 až 688). Intenzifikace distribuce plynu je komplikována poměrně nízkou mechanickou stabilitou převážná části matricových materiálů,Although there are a number of reactor types (as shown above) for solid phase biocatalysis, many of the problems associated with reactor design remain unresolved, especially in those processes where one of the substrates is in the gas phase (usually oxygen). Gas-liquid transfer is particularly important in most traditional biocatalytic systems, for example, for aerobic microorganisms, the oxygen transfer rate (OTR) should be 150 mmol / dnP / h. For efficient utilization of the useful volume of the device, the above-mentioned OTR should be achieved by reasonably high aeration (1 - 1.5 Wli). Because the presence of carrier particles for the immobilization of the blocking materials in many cases impairs mass transfer between gas and liquid (particle grains promote agglomeration of gas bubbles, cf. Proc. 4 Eur. Congr. Biotech. 1987, Vol. 1, 101-104) ), a maximum of a fraction of the above-mentioned OTR (Chem. Eng. Sci., 1987, 42, 543-553; Biotech. Bioeng. 1988, ^ 2) can be achieved in three-phase fluid bubbling columns or circulation reactors equipped with traditional gyne distributors. 677-688). The intensification of gas distribution is complicated by the relatively low mechanical stability of most of the matrix materials,

... a proto je nutno se v katalytická zóně vyhnout působení větších sil; tak například velká část gelů a organických a anorganických materiálů o vysoká porozitě nemůže snášet nejen střižné síly, způsobené mechanickým mícháním, ale ani silová účinky způsobená vysokou turbulencí kapaliny nebo rozstřikováním kapaliny plynem.... and therefore greater forces must be avoided in the catalytic zone; For example, a large proportion of high porosity gels and organic and inorganic materials cannot tolerate not only shear forces due to mechanical agitation, but also force effects caused by high liquid turbulence or gas spraying.

Při některých fermentečních procesech, spojených s rostlinnými nebo živočišnými buněčnými kulturami, která jsou zvláště citlivá na infekci, je další nesnází to, že buňky, obvykle zabudované do gelu, musí být vneseny do fermentoru za sterilních podmínek. Stavba fermentoru totiž nedovoluje nebo dovoluje, jenom velmi komplikovaným způsobem, vytvářet sterilní částice katalyzátoru in šitu.In some fermentation processes associated with plant or animal cell cultures that are particularly susceptible to infection, another difficulty is that cells, usually incorporated into the gel, must be introduced into the fermenter under sterile conditions. Indeed, the construction of the fermenter does not permit or permit, in a very complicated manner, the formation of sterile catalyst particles in situ.

Cílem vynálezu je vyvinout takové , .zařízení, pro provádění biokatalytických procesů s biokatalyzátorem v pevné fázi, které by umožnilo -intenzivní přenos plyn-kapalina. Dále je zapotřebí, aby se v tomto zařízení za provozu nepoškozovaly částice nosiče katalyzátoru, která mají nízkou mechanickou odolnost. Toto zařízení by dále mělo představovat kombinaci zařízení pro tvorbu částic nosiče gelového typu s bioreaktorem, a to i v tom případě, že se vyžaduje speciální sterilizace.It is an object of the present invention to provide such a device for performing biocatalytic processes with a solid-state biocatalyst that would allow intensive gas-liquid transfer. In addition, it is desirable that the catalyst support particles having low mechanical resistance are not damaged during operation. The device should furthermore be a combination of a gel type carrier particle device with a bioreactor, even if special sterilization is required.

Vynález je založen na následujících poznatcích:The invention is based on the following findings:

Jestliže je část zařízení, v niž je k dispozici vysoký specifický mezifázový povrch mezi plynem a kapalinou oddělena od části, obsahující biokatalyzátor v pevná fázi, tak turbulentní síly, usnadňující dispergaci plynu, nepůsobí na částice katalyzátoru a ten se tedy nepoškozuje. Dalším poznatkem je skutečnost, že míšení plynu a kapaliny může být velice zintenzlvněno, jestliže se odehrává v recirkulační trubce, v níž jsou vestavěny dispergační p^vky, jejíž objem činí maximálně 10 % objemu zóny zařízení, kde je katalyzátor. Kromě toho se vhodným výběrem směru a rychlosti přiváděni disperze plyn-kapalina do prostoru zařízení pro styk kapalné a plynné fáze a vhodným uspořádáním reakčního prostoru dá docílit prodloužené doby zdržení bublin plynu v kapalině a ustáleného cirkulačního toku částic katalyzátoru. Vhodným vytvořením reakční zóny je možno dosáhnout toho, aby byla tato zóna také vhodná pro koagulaci kapek sólu. Kapky sólu obsahující biokatalyzátor (například suspenzi buněk nebo spor) se vytvářejí v období předcházejícím biokatalytickému procesu za použití zvláštního přístroje pro výrobu kapek upevněného k víku zařízení. Částice biokatalyzátoru se tak mohou vyrábět s vysokou intenzitou in šitu v zařízení.If the part of the device in which the high specific interfacial surface between the gas and the liquid is available is separated from the part containing the biocatalyst in the solid phase, the turbulent forces facilitating gas dispersion do not act on the catalyst particles and thus do not damage. Another finding is that the mixing of gas and liquid can be greatly intensified if it takes place in a recirculation tube in which dispersing agents are built up to a maximum of 10% of the volume of the catalyst zone. In addition, by appropriately selecting the direction and velocity of the gas-liquid dispersion feed into the space of the liquid-gas contact apparatus and by appropriately arranging the reaction space, extended residence times of gas bubbles in the liquid and steady-state circulation of catalyst particles can be achieved. By suitably forming a reaction zone, it can also be made suitable for the coagulation of sol drops. Solo drops containing a biocatalyst (for example, a cell suspension or spore) are formed in the period prior to the biocatalytic process using a separate device for producing drops attached to the lid of the device. Thus, the biocatalyst particles can be produced with high in situ intensity in the plant.

Na základě těchto poznatků byl podle vynálezu vyvinut přístroj obsahující reakční prostor a v něm cirkulační trubku, zařízeni sloužící k uvádění katalyzátoru, kapaliny a plynu do reakčního prostoru a také zařízení p£O-odstraňování produktu získaného biokatalytickou reakcí a plynu, který se tvoří během tohoto procesu a cirkulační čerpadlo· Přístroj se vyznačuje tím, že obsahuje recirkulační trubku, jejíž oba konce ústí do reakčního prostoru v místech nad sebou· Před každým otvorem pro odváděni media zpracovávaného v reakčním prostoru je umístěn filtrační prvek· Filtrační prvek slouží pro zadržováni pevných částic nosiče a katalyzátoru v reakčním prostoru.Based on these findings, the present invention provides an apparatus comprising a reaction chamber and a circulation tube therein, a device for introducing catalyst, liquid and gas into the reaction chamber, as well as a device for removing the biocatalytic reaction product and the gas formed during this reaction. process and circulation pump · The device is characterized in that it contains a recirculation tube, both ends of which exit into the reaction space at the superimposed locations. · A filter element is placed in front of each media outlet in the reaction space. and a catalyst in the reaction space.

Do řecirkulační trubky je vestěvěno recirkulační £ex?adlo, které ji rozděluje na větev výtlačnou a sací· Po směru toku zpracovávaného média následuje za čerpadlem ve výtlačné větvinscírfajlační trubky prvek pro urychlování toku, vestavěný do trubky. Potom do výtlačné větve vede přívodní trubka pro plyn a dále tato větev obsahuje prvek nebo prvky pro'dis pergaci plynu.A recirculation exchanger is built into the recirculation tube, which divides it into a discharge and suction branch. Downstream of the fluid to be treated is followed by a pump in the discharge branch of the blower tube built into the tube. Thereafter, the gas inlet pipe extends into the discharge branch and further comprises a gas pergating element or elements.

Podle přednostního provedení je k horní části reakňního prostoru připojena komora pro separaci fází opatřená výpustí pro plyn a sací větev recirkulační trubky vychází z dolní části komory a cirkulační trubka umístěná v reakčním prostoru zasahuje do komory.According to a preferred embodiment, a phase separation chamber provided with a gas outlet is connected to the upper part of the reaction space and the recirculation tube suction branch extends from the lower part of the chamber and the circulation tube located in the reaction space extends into the chamber.

Podle daláího přednostního provedení je válcovitý reakční protor uzavřen v dolní části podobným válcovitým prvkem, v němž je tangenciálně uspořádán kanálek pro připojení k výtlačné větvi cirkulační trubky. Slouží ke svému účelu v tom případě, když je horní povrch spodní části, kte»ýo je nakloněný oblouk vycházející ze spodní části dávkovacího otvoru ve výtlačné větvi a zasahující do horní části tohoto otvoru, vytvořen jako čelní povrch a když je výpust z reakčního prostoru, opatřená filtračním prvkem a ventilem, vyvedena ven ve spodní části, zatímco nad filtračním prvkem je upevnění kuželovitý prvek pro modifikaci toků, jehož průřez se směrem nahoru zmeněuje, (konfigurace obráceného kužele), vedoucí dovnitř cirkulační trubky·According to a further preferred embodiment, the cylindrical reaction chamber is closed in the lower part by a similar cylindrical element, in which a channel is connected tangentially to the discharge branch of the circulation tube. They serve their purpose when the upper surface of the lower portion, which is an inclined arc extending from the lower portion of the dispensing opening in the discharge branch and extending into the upper portion of the opening, is formed as a front surface and when the discharge is from the reaction space. provided with a filter element and a valve, extending outwardly in the lower part, while above the filter element is a conical flow-modifying element whose cross-section is changing upwardly, (inverted cone configuration) leading inwardly to the circulation tube ·

Podle dalšího přednostního provedení vede vstup zpracovávané kapaliny do výtlačné větve recirkulační trubky mezi čerpadlem a prvkem pro urychlování toku a výstup produktu získaného při biokatalytickém procesu vede ze sací větve recirkulační trubky·According to a further preferred embodiment, the inlet of the treated liquid leads to the discharge branch of the recirculation tube between the pump and the flow acceleration element and the outlet of the product obtained in the biocatalytic process leads from the suction branch of the recirculation tube.

Podle dalšího provedení vynálezu mé reaktor vývod vedoucí do komory pro separaci fází, který slouží k uvádění pevného biokatalytického materiálu do reakčního prostoru·According to a further embodiment of the invention, the reactor has an outlet leading to a phase separation chamber for introducing solid biocatalytic material into the reaction space.

V přednostním provedení je přístroj opatřen hlavou pro tvorbu kapek, která vede do komory pro separaci fázi. Prostřednictvím této hlavy se uvádí biokatalytický materiál, například kapky sólu obsahující bakterie. Tato hlava je spojena s nádrží obsahující michadlo, v níž se připravuje sol· Aby hlava sloužila ke svému účelu, musí být mezi ní a nádrží umístěn ventil a hlava musí obsahovat prvky pro tvorbu kapek směřujícícdovnitř komory pro separaci fází.In a preferred embodiment, the apparatus is provided with a drop-forming head that leads to a phase separation chamber. Through this head, biocatalytic material, such as bacteria-containing sol drops, is introduced. This head is connected to a tank containing a stirrer in which the sol is being prepared. For the head to serve its purpose, a valve must be placed between it and the tank and the head must contain droplet elements extending inside the phase separation chamber.

Jestliže hustota pevných částic katalyzátoru je nižší než hustota kapalné fáze, které se účastní biokatalytického procesu, doporučuje se použít následujícího uspořádání přístroje· Podstatou tohoto - uspořádání je, že cirkulační trubka, které je zabudovaná do reakčního prostoru, který je v dolní části kuželový a v horní části válcový, obsahuje horní válcovou část o větším průměru a spodní válcovou část o menším průměru, přičemž spodní válcové část je spojena s horní válcovou částí kuželovou částí tvořící mezičlen. Přístroj obsahuje kuželovou komoru, která navazuje na spodní kuželovou část reakčního prostoru. Kuželová komora je připojena k sací větvi recirkulační trub ky· Výtlačná větev recirkulační trubky je vedena tangenciálně do dolní části horní válcovité části cirkulační trub ky. Před vývodem sací větve vycházející z komory je umístěn filtrační prvek. V tomto případě je užitečné, když je ve stěně obklopující kuželovou komoru ve spodní části přístroje umístěna tryska pro přivádění pomocného proudu plynu, která je orientována směrem k otvoru v dolní válcové části cirkulační trubky zasahující do komory.If the density of the solid catalyst particles is lower than the density of the liquid phase involved in the biocatalytic process, it is recommended to use the following apparatus arrangement. The essence of this arrangement is that the circulation tube is built into the reaction space. The upper cylindrical portion comprises an upper cylindrical portion having a larger diameter and a lower cylindrical portion having a smaller diameter, the lower cylindrical portion being connected to the upper cylindrical portion by a conical portion forming an intermediate member. The apparatus comprises a conical chamber which connects to the bottom conical portion of the reaction space. The conical chamber is connected to the suction branch of the recirculation tube. The discharge branch of the recirculation tube is guided tangentially into the lower part of the upper cylindrical part of the circulation tube. A filter element is placed in front of the outlet of the suction branch coming out of the chamber. In this case, it is useful if a nozzle for supplying an auxiliary gas stream is located in the wall surrounding the conical chamber at the bottom of the apparatus, which is oriented towards the opening in the lower cylindrical part of the circulation tube extending into the chamber.

Dalším znakem vynálezu je, že délka výtlačné větve reclrkulační trubky mnohokrát převyšuje délku sací větve· V důsledku toho je možno zvýšit počet dispergačních prvků á tím i intenzitu přenosu mezi plynem a kapalinou.Another feature of the invention is that the length of the discharge pipe of the recirculation pipe is many times greater than the length of the suction pipe. As a result, the number of dispersing elements and thus the intensity of the gas-liquid transfer can be increased.

Podle dalšího provedení je přístroj opatřen dispergačními prvky, které se sklédají z konfusoru, difusoru a štěrbiny mezi nimi. Tyto dispergační prvky pro plyn jsou umístěny především ve vertikální části nebo blízko vertikální části nebo vertikálních částí výtlačné větve reclrkulační trubky. V horizontální části nebo v blízkosti horizontální části nebo částí výtlačné větve jsou umístěny dispergační prvky pro plyn skládající se z tyče s navinutou spirálou·According to a further embodiment, the apparatus is provided with dispersing elements which are viewed from the confusor, the diffuser and the gap between them. These gas dispersing elements are preferably located in the vertical part or close to the vertical part or vertical parts of the discharge branch of the recirculation tube. Dispersing elements for gas consisting of a spiral wound rod are located in the horizontal part or close to the horizontal part or parts of the discharge branch.

Vynález je podrobněji popsán pomocí výkresů ukazujících některá přednostní provedení přístroje a jeho strukturních prvků. Táto přednostní provedeni mají povahu příkladů·The invention is described in more detail by means of drawings showing some preferred embodiments of the apparatus and its structural elements. These preferred embodiments are exemplary in nature.

Popis výkresů:Description of drawings:

Obr. la - schematický vertikální oso vě souměrný řez přístrojem,Giant. 1a - schematic vertical axis symmetrical section of the instrument,

Obr. lb - řez podél roviny A-A, vyznačené na obr. la.Giant. 1b shows a section along the line A-A shown in FIG. 1a.

Obr. Ic - svislý osově souměrný řez prvkem pro tvorbu kapek nakreslený ve větším měřítku.Giant. Ic - a vertical, axially symmetrical section of the droplet element drawn on a larger scale.

Obr. Id - Axonometrický obrázek dispergačního prvku pro plyn ve větáím měřítku.Giant. Id - Axonometric picture of a gas dispersing element on a larger scale.

Obr.Giant.

pergační prvek pro plyn.pergating element for gas.

Obr.Giant.

souměrný řez přístrojem při le - Čelní pohled na jiný dis·symmetrical cross section of the instrument at le - Front view of another dis ·

2a - Schematický svislý osově jiném uspořádání.2a - Schematic vertical axis of another arrangement.

Obr. 2b - Kaskáda přístrojů podle obr. 2a.Giant. 2b - The cascade of the apparatus of FIG. 2a.

Obr. 3a - Svislý osově souměrný řez přístrojem.Giant. 3a - Vertical axially symmetrical section of the apparatus.

Obr. 3b - Ěez podél roviny F-F, vyzná čené na obr. 3a.Giant. 3b - A section along the plane F-F shown in FIG. 3a.

Přístroj znázorněný na obr. l^a až le je vytvořen v takové formě, aby umožňoval imobilizaci aerobních mikroorganicmů nebo jejich spor v gelu a provádění kvasi-kontinuální fermentace za použití mikroorganismů imobilizovaných v gelu. Tak například přístroj umožňuje provádět imobilizaci Brevibacterium flavum v nosiči z karragenanu draselného a použití imobilizovaného mikroorganismu při biosyntéze L-tryptofanu.The apparatus shown in FIGS. 1a to 1e is designed in such a way as to allow the immobilization of aerobic microorganisms or their spores in the gel and to perform quasi-continuous fermentation using microorganisms immobilized in the gel. For example, the device allows the immobilization of Brevibacterium flavum in a potassium carrageenan carrier and the use of the immobilized microorganism in L-tryptophan biosynthesis.

Hlavními částmi přístroje jsou vstupní jednotka I ve spodní části, autocirkulační reakční jednotka II nad vstupní jednotkou I, jednotka III pro separaci fází, jednotka IV pro tvorbu kapek sólu přiléhající k víku předcházející jednotky a jednotka V zajištující nucenou cirkulaci a dispergaci plynu, která spojuje vstupní jednotku I pro přívod tekutiny a jednotku III pro separaci fází obchvatem okolo reakční jednotky II.The main parts of the apparatus are the inlet unit I at the bottom, the autocirculation reaction unit II above the inlet unit I, the phase separation unit III, the sol droplet formation unit adjacent to the lid of the previous unit, and the V gas supply and dispersion unit connecting the inlet a fluid supply unit I and a phase separation unit III bypassing the reaction unit II.

Vstupní jednotka I obsahuje válcové . dno 1, nátrubek 2 pro tekutinu tangenciálně připojený z vnějšku a pokračující, jak ukazuje obr. lb tangenciálním kanálkem 2, vyvrtaným ve dnu 1.Input unit I comprises cylindrical. bottom 1, fluid mouth 2 tangentially connected from the outside and continuing, as shown in Fig. 1b by tangential channel 2 drilled in bottom 1.

Spodní omezující povrch % prostorové části £ (obr. la a obr. lb) stoupá ve tvaru čelního závitu, ve vztahu k podélné vertikální ose x přístroje, počínaje u dolního omezujícího okraje průčelní roviny 6 a konče na stejné rovině.The lower limiting surface% of the space portion 6 (FIGS. 1a and 1b) rises in the form of a frontal thread, relative to the longitudinal vertical axis x of the apparatus, starting at the lower limiting edge of the front plane 6 and ending on the same plane.

Kuželové jednotka 8 pro modifikaci toku je umístěna tak, že její vrchol leží na svislé ose x. Kuželová jednotka g mé odstup ode dna 1 a je ke dnu 1 přišroubována šroubem 2« Mezi základnou jednotky 8 pro modifikaci toku a horní kruhovou (při pohledu shora) deskou tvořící centrální část g dna 1, (viz též obr. lb) je umístěn podélný filtrační prvek 10 s válcovým, povrchem. Vrcholový úhel kužele jednotky 8 pro modifikací toku leží mezi 50 a 70 deg 'a poměr průměru základny této jednotky d^ k vnitřnímu průměru dna D je 1 až 1,2 : 2.The flow modification conical unit 8 is positioned such that its apex lies on the vertical x-axis. The conical unit g is spaced from the bottom 1 and is screwed to the bottom 1 by a screw 2. A longitudinal distance between the base of the flow modification unit 8 and the top circular plate (seen from above) constituting the central part g of the bottom 1 (see also FIG. a filter element 10 with a cylindrical surface. The peak cone angle of the flow modification unit 8 is between 50 and 70 deg ', and the ratio of the base diameter of this unit d' to the inside diameter of the bottom D is 1 to 1.2: 2.

Do válcového dna 1 vstupní jednotkyTo the cylindrical bottom 1 of the inlet unit

I jsou zabudovány dva průchozí otvory 11 a 12. Otvoru 11Two through holes 11 and 12 are incorporated therein

- 13 se používá pro odvádění kapalné fáze bez částic katalyzátoru (tyto částice jsou, jak je zřejmé z dalšího textu, zachyceny filtračním prvkem 10). kdežto otvor 12 slouží pro úplné vypuštění suspenze pevné látky v kapalině z přístroje. Otevírání a zavírání otvorů 11 a 12 se provádí ventily 13 a 14 umístěnými pode dnem 1.13 is used to drain the liquid phase without catalyst particles (these particles are, as will be seen below, captured by the filter element 10). whereas the opening 12 serves to completely drain the solids suspension in the liquid from the apparatus. The opening and closing of the openings 11 and 12 is carried out by valves 13 and 14 located below the bottom 1.

Autocirkulační reakční jednotka II obsahuje reakční prostor 15 obklopený válcovým pláštěm 15a. Vnitřní průměr D^ válcového pláště 15a je shodný s průměrem D^ válcového dna 1. Válcový plášt 15a je obklopen duplikátořovým pláštěm 16. Uezi válcovým pláštěm 15a a duplikátorovým pláštěm 16 vzniká tak prostor pro cirkulaci thermostatovanáho teplosměnného media. V reakčním prostoru 15 je centrálně umístěna cirkulační trubka 17 o průměru d^T Válcový pláěí 15a. duplikátorový plášt 16 a cirkulační trubka 17 jsou tedy uspořádány soustředně okolo vertikální geometrické osy x. Poměr průměrů D^ : d^ je rovný 2 -t 1.The autocirculating reaction unit II comprises a reaction space 15 surrounded by a cylindrical shell 15a. The inner diameter D1 of the cylindrical sheath 15a is equal to the diameter D1 of the cylindrical bottom 1. The cylindrical sheath 15a is surrounded by a duplicator sheath 16. Between the cylindrical sheath 15a and the duplicator sheath 16 there is room for circulation of the thermostatized heat transfer medium. In the reaction space 15 there is centrally located a circulation tube 17 with a diameter d 4 T of the cylindrical shell 15a. the duplicator jacket 16 and the circulation tube 17 are thus arranged concentrically about the vertical geometric x-axis. The ratio of the diameters D ^: d ^ is equal to 2 -t 1.

Dolní okraj cirkulační trubky zasahuje pod vrchol kuželové jednotky 8 pro modifikaci toku, takže cirkulační trubka zčásti obklopuje horní část kuželové jednotky 8 pro modifikaci toku.The lower edge of the circulation tube extends below the top of the flow modifier unit 8 so that the circulation tube partially surrounds the upper portion of the flow modifier unit 8.

Vertikální vzdálenost mezi- dolním okrajem cirkulační trubky 17 a kruhem o průměru d^ vytanutým na kuželi vertikální projekcí cirkulační trubky seThe vertical distance between the lower edge of the circulation tube 17 and the circle d průměru d extending on the cone by the vertical projection of the circulation tube

- 14 stanoví tak, aby plocha Imaginárního pláště válce, jehož základnami jsou tento kruh a dolní okraj cirkulační trubky, byla téměř stejná jako plocha průřezu cirkulační trubky.14 provides that the area of the Imaginary Cylinder Housing whose bases are this circle and the lower edge of the circulation tube is almost equal to the cross-sectional area of the circulation tube.

Jednotka III pro separaci fází je tvořena komorou 18, která má dolní část 19 ve tvaru obráceného komolého kužele a horní válcovou část 20. Části 19 a 20 jsou spojené. Průměr Dg horní části se pohybuje nejlépe v rozmezí 1,5-násobku až dvojnásobku průměru D^ reakčního prostoru 15. Výška hg jednotka lil pro separaci fází je asi 1/3 - 1/4 výšky X reakčního prostoru 15. Výška kónické spodní části 15 jednotky III pro separaci fází je asi 1/3 výšky horní části 20. Celková výška L vstupní jednotky I, reakční jednotky II a jednotky III pro separaci fází, tj. vlastního reaktoru účelně nepřesahuje pěti- až šestinédobek prů·» měru D^ reakčního prostoru 15.The phase separation unit III is formed by a chamber 18 having an inverted truncated cone-shaped lower part 19 and an upper cylindrical part 20. The parts 19 and 20 are joined. The diameter Dg of the upper part preferably ranges from 1.5 times to twice the diameter of the reaction space 15. The height hg of the phase separation unit 11 is about 1/3 - 1/4 of the height X of the reaction space 15. The height of the conical bottom 15 The total height L of the inlet unit I, the reaction unit II and the phase separation unit III, i.e. the reactor itself, does not suitably exceed five to six times the diameter D D of the reaction space. 15 Dec

Stěna komolé kuželovité spodní části 19 je zevnitř pokryta filtračním prvkem 21, což je nejlépe sííovitá tkanina ve tvaru pláště komolého kužele. Rozmezí velikosti pórů filtračního prvku 21 je zvoleno tak, aby filtrační prvek mohl zadržovat plyn v takovém rozsahu, že tekutina může projít dovnitř komory 18 ve směru nejmenšího odporu. Výstupní nátrubek 22 pro kapalinu a nátrubek 23 pro odběr vzorků jsou vyvedeny z dolní části .19 komory 18. Svislá cirkulační trubka 17 zasahuje dovnitř jednotky III pro separaci fází, tedy do její dolní části 19. a to asi 0,01The wall of the truncated conical bottom 19 is internally covered by a filter element 21, which is preferably a truncated frustoconical fabric. The pore size range of the filter element 21 is selected such that the filter element can retain gas to such an extent that the fluid can pass into the chamber 18 in the direction of least resistance. The liquid outlet port 22 and the sampling port 23 are discharged from the bottom 19 of the chamber 18. The vertical circulation pipe 17 extends into the phase separation unit III, i.e. the bottom 19 thereof, about 0.01.

- 15 až 0,02 m nad úroveň, určenou osami souměrnosti nátrubků 22 a 23 (nátrubky 22 a 23 jsou účelně vodorovné a jejich osy souměrnosti leží v jedné vodorovné rovině).15 to 0.02 m above the level determined by the symmetry axes of the sleeves 22 and 23 (the sleeves 22 and 23 are expediently horizontal and their axes of symmetry lie in one horizontal plane).

Horní část 20 jednotky III pro separaci fází je uzavřena víkem (deskou ) 24. Válcová hlava 25 pro tvorbu kapek jednotky IV pro tvorbu kapek sólu je vestavěna do víka 24 symetricky okolo svislé osy souměrnosti x. Hlava 25 pro tvorbu kapek,spodní část 19 a horní část 20 jednotky III pro separaci fází jsou tedy uspořádány soustředně okolo^souměrnosti x. Hlava 25 pro tvorbu kapek je spojena pomocí ventilu 26 a vstupu 36 s nádrží 27 jednotky IV pro tvorbu kapek sólu. Nátrubek 28 pro vývod plynu je umístěn na víku 24 a je spojený s chladičem 29. Průměr I) hlavy 25 pro tvorbu kapek je asi polovinou průměru reakčního prostoru 15. Hlava 25 pro tvorbu kapek může být také obklopena duplikátorovým pláštěm (není zakreslen) a její objem činí asi jednu desetinu objemu nádrže 27 (nádrž pro sol), která je částí jednotky IV pro tvorbu kapek sólu.The upper part 20 of the phase separation unit III is closed by the lid 24. The drop head cylinder 25 of the sol drop unit IV is built into the lid 24 symmetrically about the vertical axis of symmetry x. Thus, the droplet formation head 25, the lower portion 19 and the upper portion 20 of the phase separation unit III are arranged concentrically around the symmetry x. The drop formation head 25 is connected via the valve 26 and the inlet 36 to the tank 27 of the sol drop formation unit IV. The gas outlet sleeve 28 is located on the lid 24 and is connected to the cooler 29. The diameter of the droplet head 25 is about half the diameter of the reaction space 15. The droplet head 25 may also be surrounded by a duplicator jacket (not shown) and its the volume is about one-tenth the volume of the tank 27 (tank for sol), which is part of the sol drop formation unit IV.

Nádrž 27 je kónická v dolní části a válcová v horní části a je uspořádaná soustředně okolo svislé osy x. Nádrž 27 je uzavřena víkem 27a. z něhož je vyveden nátrubek 30 pro inokulaci, nátrubek 31 (náplňový otvor) a nátrubek 34. spojený s trubkou pro přívod tlakového vzduchu (není ukázána). Stěna nádrže 27. označená vztahovou značkouThe tank 27 is conical in the lower part and cylindrical in the upper part and is arranged concentrically about the vertical x-axis. The tank 27 is closed by a lid 27a. from which a nozzle 30 for inoculation, a nozzle 31 (filling hole) and a nozzle 34 connected to a pressurized air supply tube (not shown) are led out. The wall of the tank 27 is indicated by the reference numeral

- 16 27b. je obklopena duplikátorovým pláštěm 27c. čímž se mezi stěnou 27b a pláětěm 27c vytvoří úzký prostor 27d pro cirkulaci thermostatovaného teplosměoného media· Objem zásobníku 27 je asi polovinou objemu reakčního prostoru 15 reakční-jednotky II. Do nádrže 27. zejména do její spodní části tvaru komolého kužele, zasahuje míchací vrtule 22» jejíž hřídel je umístěna ve svislé geometrické ose x. Míchadlo je poháněno přes hřídel motorem M.- 27b. is surrounded by a duplicator jacket 27c. thereby creating a narrow space 27d between the wall 27b and the shell 27c for circulating the thermostatic heat exchange medium. The volume of the reservoir 27 is about half the volume of the reaction space 15 of the reaction unit II. A mixing propeller 22 whose shaft is located in the vertical geometric x-axis extends into the tank 27, in particular into its lower frustoconical part. The stirrer is driven via a shaft by an M motor.

Prvky 35 pro tvorbu kapek jsou vestavěny do základny hlavy 25 pro tvorbu kapek. Jedno z nich je ukázáno ve zvětšeném měřítku v řezu na obr. lc.The drop forming elements 35 are built into the base of the drop forming head 25. One of these is shown on an enlarged scale in section in FIG. 1c.

Nad základnou hlavy 25 pro tvorbu kapek je umístěn filtr 36. vyrobený ze sítovité tkaniny o velikosti pórů účelně 0,1 mm. Počet prvků 35 pro tvorbu kapek, koncentricky rozmístěných v základně, se určí podle následujícího empirického vzorce:A filter 36 made of a sieve cloth with a pore size of expediently 0.1 mm is disposed above the base of the drop-forming head 25. The number of drop forming elements 35 concentrically distributed in the base is determined by the following empirical formula:

Průměr d^ otvoru prvku 35 pro tvorbu kapek (obr. lc) se pohybuje v rozmezí 0,3 až 0,5 mm a závisí na charakteru sólu.The diameter d1 of the opening of the droplet-forming element 35 (FIG. 1c) is in the range of 0.3 to 0.5 mm and depends on the nature of the sol.

Jednotka V pro nucenou cirkulaci a dispergaci plynu je tvořena recirkulační trubkou 50. jejíž jeden konec je spojený pomocí nátrubku 2 s jednotkou 1 proThe forced circulation and gas dispersion unit V is formed by a recirculation tube 50, one end of which is connected via a sleeve 2 to the unit 1 for

- 17 ▼stup tekutiny a druhý konec je spojený s nátrubkem 22 pro odvádění kapaliny, který je součástí 22 jednotky III pro separaci fází· Recirkulační trubka 50 (max. průměr trubky je asi 1/4 až 1/6 průměru D^ reakčního prostoru 15) má dvě větve· Sací větev vede od výstupního nátrubku 22 pro kapalinu k cirkulačnímu čerpadlu 38. které má proměnlivý výstupní výkon. Výtlačná větev 39 vede od čerpadla 38 k vstupňímu nátrubku 2 pro tekutinu· Umístění čerpadla 38 v recirkulační trubce 50 je vybráno tak, aby čerpadlo bylo co nejblíže nátrubku 22. tj. aby výtlačná větev 39 recirkulační trubky 50 byla co možná nejdelší. Sací větev a výtlačná větev 39 mohou být zkratovány pomocí ventilu 41. který je vestavěn do obchvatu 40.The fluid end and the other end are connected to the liquid removal port 22 of the phase separation unit 22 of the recirculation tube 50 (the maximum diameter of the tube being about 1/4 to 1/6 of the diameter D of the reaction space 15). The suction branch leads from the liquid outlet nipple 22 to a circulation pump 38 having variable output power. The discharge line 39 extends from the pump 38 to the fluid inlet 2. The location of the pump 38 in the recirculation tube 50 is selected such that the pump is as close as possible to the nozzle 22. i.e. the discharge branch 39 of the recirculation tube 50 is as long as possible. The suction branch and discharge branch 39 may be short-circuited by means of a valve 41 which is built into the bypass 40.

Urychlovač 42 toku, vestavěný do výtlačné větve 22, účelně konfuzor, slouží k zvětšení rychlosti toku. Za urychlovačem 42 toku (konfuzorem) poc proudu ve směru Šipky g, ústí do výtlačné větve 39 trubka 44. V trub ce 44 je tryska £2, která zajištuje ustálený tok plynu.The flow accelerator 42 built into the discharge branch 22, preferably the confuser, serves to increase the flow rate. Downstream of the flow accelerator 42 in the direction of the arrow g, a pipe 44 opens into the discharge branch 39. In the pipe 44 there is a nozzle 52 which provides a steady flow of gas.

Trubka 44 tedy slouží pro přivádění plynu, obvykle vzduchu (kyslíku), který je požadován pro biochemickou reakci, ve směru Šipky £ (obr. la). Dispergační prvky 45 jsou vestavěny do výtlačné větve 39 mezi trubku 44 a nátrubek 2, Jeden z nich je ve zvětšeném měřítku znázorněn axonometricky na ~ obr. Id. Dispergační prvky slouží k intenzivnímu směšování plynu s kapalinou a k dispergaci plynné fáze na jemné bublinky. Dispergační prvek 45 znázorněný na obr. la a ld se skládé • 18 ze zúžené Štěrbiny uprostřed, jejíž přední konec je spojený s koafuzorem a druhý konec s difuzorem ve smyslu směru toku média,viz šipká g (obr. la), (nebo je štěrbina 45a. jak ukazuje obr. Id, spojena zčásti s konfuzorem 45b a zčásti s difuzorem 45<s). Prvky štěrbinového typu jsou vestavěny do svislých trubek, jestliže směs plyn-kapalina proudí dolů. Dispergáční prvek £6, ukázaný na obr. le, je tvořen rovnou tyčí 46a. ovinutou spirálou 46b. Dispergační prvek 46 může být vestavěn do vodorovné trubky. Dispergační prvky 45 a 46 jsou přemístitelné a jejich charakteristické rozměry jsou určeny podle spotřeby vzduchu, kterou mé daná buněčná kultura a podle rozměrů reaktoru.Thus, the tube 44 serves to supply the gas, usually air (oxygen), which is required for the biochemical reaction, in the direction of the arrow 6 (FIG. 1a). The dispersing elements 45 are built into the discharge branch 39 between the tube 44 and the sleeve 2. One of them is shown on an enlarged scale axonometrically in FIG. 1d. The dispersing elements serve to intensively mix the gas with the liquid and to disperse the gas phase into fine bubbles. The dispersing element 45 shown in FIGS. 1a and 1d consists of a tapered slot 18 in the middle, the front end of which is connected to the co-ventor and the other end to the diffuser in the direction of medium flow, see arrows g (FIG. 45a, as shown in FIG. 1d, partly connected to confuser 45b and partly to diffuser 45 (s). Slot-type elements are built into vertical tubes when the gas-liquid mixture flows downwards. The dispersion element 46 shown in FIG. 1e is formed by a straight rod 46a. wrapped spiral 46b. The dispersion element 46 may be built into a horizontal tube. The dispersing elements 45 and 46 are displaceable and their characteristic dimensions are determined by the air consumption of my cell culture and the dimensions of the reactor.

Nátrubek 48 pro vstup nasazovaného roztoku (šipka o, obr. la) a nátrubek 49 pro odvod produktu (šipka t, obr. la) jsou částmi jednotky V pro dispergaci plynu s nucenou cirkulací a je možno je otevírat a uzavírat pomocí ventilů 47a a 47b.The feed inlet nozzle 48 (arrow o, FIG. 1a) and the product discharge pipe 49 (arrow t, FIG. 1a) are parts of the forced circulation gas dispersing unit V and can be opened and closed by valves 47a and 47b. .

Výše popsaný přístroj funguje následovně:The device described above works as follows:

Nádrž 27 jednotky IV pro tvorbu kapek sólu se naplní plnícím otvorem sólem alginétu sodného o vhodné koncentraci při zavřeném ventilu 26. Potom se plnící otvor uzavře a celý reaktor (bioreaktor) se sterilizuje obecně používaným postupem sterilizace pomocí páry.The sol drop unit IV tank 27 is filled through the feed port with sodium alginate sol at a suitable concentration with the valve 26 closed. Then the feed port is closed and the entire reactor (bioreactor) is sterilized by a commonly used steam sterilization process.

- 19 K provádění této operace se pára připouští trubkou ££ dispergační jednotky V a odvádí se ze systému nátrubkem28, který vede z komory 18 jednotky III pro separaci fází· Nádrž 27 jednotky IV pro tvorbu kapek sólu a hlava 2£ pro tvorbu kapek se sterilují parou o teplotě 120 °C, která se napouští do prostoru 27d pro cirkulaci thermostetovaného tejlosměrného media, přičemž roztok v nádrži 27 se míchá míchací vrtulí 22, aby se zlepšil přestup tepla. Po dokončeni sterilizace se reakční prostor a recirkulační trubka 50 odvodní otvorem 12 jednotky I pro vstup kapaliny. Potom se reaktor a roztok sólu ochladl na laboratorní teplotu chladicí vodou, která cirkuluje v prostorech 16a a 27d pro cirkulaci termostetovaného teplosměnného media.To carry out this operation, the steam is admitted through the pipe of the dispersing unit V and is discharged from the system via a nozzle 28 which leads from the chamber 18 of the phase separation unit III. steam at a temperature of 120 ° C, which is introduced into the space 27d for circulating the thermostetted DC medium, the solution in the tank 27 being stirred by a stirring propeller 22 to improve heat transfer. Upon completion of sterilization, the reaction space and recirculation tube 50 are discharged through the opening 12 of the liquid inlet unit. Thereafter, the reactor and the sol solution were cooled to room temperature with cooling water which circulates in spaces 16a and 27d to circulate the thermostated heat transfer medium.

V dalším stupni se reakční prostor 15 a částečně komora 18 naplní po horní okraj cirkulační trubky 17 sterilním precipitačnim roztokem chloridu draselného potrubím 48 za pomoci čerpadla 38.In the next step, the reaction space 15 and partially the chamber 18 are filled to the upper edge of the circulation tube 17 with sterile potassium chloride precipitation solution via line 48 by means of a pump 38.

Roztok sólu v nádrži se inokuluje pomoci inokulačního nátrubku 30 suspenzí buněk Brevibacterium flavum. Inokulovaný roztok se homogenizuje míchací vrtulí 22» dokud se nezíská homogenní buněčná suspenze. Potom se tato homogenní suspenze buněk v sólu přepustí z nádrže 27 do válcové hlavy 24 pro tvorbu kapek jednotky IV pro tvorbu kapek sólu otevřením ventilu 26. Zde filtr 2áThe sol solution in the tank is inoculated using an inoculation tube with 30 Brevibacterium flavum cell suspensions. The inoculated solution is homogenized with a stirring propeller 22 until a homogeneous cell suspension is obtained. Thereafter, this homogeneous cell suspension in the sol is discharged from the tank 27 to the drop head cylindrical head 24 of the sol drop unit IV by opening the valve 26. Here, filter 2a

- 20 zachytí hrubé mlčely, náhodně přítomné v suspenzi, zatímco vlastní suspenze proteče do prvků 35 pro tvorbu kapek.20 will capture the coarse silent coincidentally present in the suspension while the actual suspension flows into the droplet forming elements 35.

' Suspenze teče směrem dolů nátrubkem 32 působením proudu sterilního tlakového vzduchu přiváděného do nádrže 27 nátrubkem 21· Průtok se reguluje změnou tlaku vzduchu.The suspension flows downwardly through the nozzle 32 under the action of a stream of sterile compressed air supplied to the tank 27 through the nozzle 21. The flow is regulated by changing the air pressure.

Jednotka pro tvorbu kapek 25 je schopná zajistit maximální průtok suspenze buňky-rsol, které je dána vztahem:The droplet formation unit 25 is capable of providing a maximum flow rate of cell-rsol suspension, given by:

W = 0,4n (dm³/h) kde n je počet prvků 35 pro tvorbu kapek.W = 0.4n (dm ³ / h) where n is the number of droplet forming elements 35.

Podle tohoto vzorce je například v reaktoru o průměru 0,2 m možno dosáhnout průtoku buněčné suspenze asi 20 dm^/h. Tato hodnota se blíží výkonu známých vibračních jednotek pro výrobu kapek sólu o nejvyěěím výkonu používaných v poloprovozu, ale na rozdíl od těchto jednotek .jednotka pro tvorbu kapek sólu podle vynálezu nepoškozuje buňky.For example, a cell suspension flow rate of about 20 dm < 3 > / h can be achieved in a 0.2 m reactor. This value is close to that of the known vibration units for producing the highest performance sol drops used in the pilot plant, but unlike these units, the sol drop unit according to the invention does not damage the cells.

Kapky suspenze buněk v sólu padají z hlavy 25 pro tvorbu kapek do precipitačního roztoku chloridu draselného, který je v reakčním prostoru 1^. Zde kapky tuhnou v gel, klesají cirkulační trubkou 17 a usazují se na dně reaktoru. Během precipitace gelových částic proudí do reaktoru trubkou 44 s vestavěnou tryskou 43.The droplets of cell suspension in the sol fall from the droplet head 25 into the potassium chloride precipitation solution which is in the reaction space 1 '. Here, the drops solidify into a gel, sink through the circulation tube 17 and settle at the bottom of the reactor. During the precipitation of the gel particles it flows into the reactor through a tube 44 with a built-in nozzle 43.

cirkulační trubkou 50. nátrubkem 2 a kanálkem 3 (obr, lb), sterilní vzduch. Jeho objemový průtok odpovídá line»»·.through the circulation pipe 50 through the sleeve 2 and the channel 3 (FIG. 1b), sterile air. Its volume flow rate corresponds to the line »» ·.

érní rychlosti lo^s, vztažené na volný průřez reaktoru. Tangenciálně vedený proud kapalina-vzduch vyvolá proudění směřující ve spirále vzhůru. Vzniklý proud se zvedá z čelního povrchu £ (obr. lb). Gelová částice, usazené na dně 1, stoupají spolu s roztokem chloridu draselného válcovým mezikružím, které je vymezeno stěnou reakčního prostoru 15a a cirkulační trubkou 17. Když dosáhnou Horního okraje cirkulační trubky 17, přepadají přes něj dovnitř a opět klesají dolů. Tímto způsobem gelové částice cirkulují v reakčnim prostoru 15. Proudění, způsobené sterilním vzduchem, zlepšuje přenos hmoty mezi pevnou látkou a kapalinouThe velocity of the reactor was determined by reference to the free cross section of the reactor. The tangentially directed liquid-air flow causes upward spiral flow. The resulting current rises from the front surface 6 (FIG. 1b). The gel particles deposited on the bottom 1 rise together with the potassium chloride solution by a cylindrical annulus defined by the wall of the reaction space 15a and the circulation tube 17. When they reach the upper edge of the circulation tube 17 they fall over it and fall back down again. In this way, the gel particles circulate in the reaction space 15. The flow caused by sterile air improves the mass transfer between the solid and the liquid

2+ tj. difúzi c Ca iontů do gelových zrn, takže dochází k želatinaci částic v celém jejich průřezu a v kratším čase, ve srovnání se známými metodami. V důsledku toho jsou buňky uzavřené v gelu méně vystaveny možnému poškození roztokem chloridu draselného.2+ i.e. the diffusion of c Ca ions into gel grains, so that the particles are gelatinized throughout their cross-section and in a shorter time as compared to known methods. As a result, the cells enclosed in the gel are less exposed to possible damage with a potassium chloride solution.

Po dokončení tvorby gelových částic je uzavřen ventil 26 a přetlak ve vnitřku nádrže 27 je zručen uzavřením přívodu vzduchu do nátrubku 34. Je otevřen ventil 13 a pomocí otvoru 11 je vypuštěn roztok chloridu vápenatého z reaktoru při otevřeném autocirkulačním ventilu 44. Sterilní živné médium je přiváděno do reaktoru čerpadlemUpon completion of the gel particle formation, the valve 26 is closed and the overpressure in the interior of the tank 27 is canceled by closing the air supply to the nozzle 34. The valve 13 is opened and the calcium chloride solution is discharged through the orifice 11 with the autocirculation valve 44 open. to the reactor by a pump

38r. (je-li to nutné, promyjí se gelové částice před přivedením živného média sterilní destilovanou vodou.·! Živné médium se přivádí potrubím 48 do recirkulační trubky 50. Jakmile hladina živného média dosáhne horního okraje cirkulační trubky 17. je dávkování živného média zastaveno, ventil 41 se zavře ale pokračuje se v cirkulaci živného média pomocí čerpadla 38. Trubkou 44 a tryskou 43 (tryska slouží ke stabilizaci průtoku plynu) se přivádí sterilní vzduch do výtlačné větve 39 recirkulační trubky 50 (šipka j>, obr. la). Průtok vzduchu je dán spotřebou vzduchu pro bakteriální kulturu při intenzita vzdušnění 1-1,5 WM. V případě aerobních mikroorganismů je žádoucí udržovat hodnotu rychlosti přenosu kyslíku (OTR) v rozmezí 150 - 250 mmol Og/dm^.h. Tento interval OTR v reaktoru se dosáhne nastavením čerpadla 38 tak, aby průtok cirkulované kapaliny činil 50 - 80 % skutečného objemového průtoku plynu (sterilního vzduchu). Vlivem vysoké turbulence směsiplyn-kapallna se pomocí dispergačních prvků 45 a 46 zabudovaných do recirkulační trubky 50 (viz obr. Id a lc) vytvoří velmi jemná disperze plyn-kapalina a obnova mezifázového povrchu je tak mimořádně intenzivní. Tlaková ztráta při tvorbě kapek v dispergačních prvcích 45. 46 nepřesahuje (0,8 - l,0).10^Pa.38r. (If necessary, the gel particles are washed with sterile distilled water prior to feeding the nutrient medium. The nutrient medium is fed via line 48 to the recirculation tube 50. Once the nutrient medium level reaches the upper edge of the circulation tube 17, the nutrient medium dosing is stopped. 41 closes but continues to circulate the nutrient medium by means of a pump 38. Sterile air is supplied through the tube 44 and the nozzle 43 (the nozzle to stabilize the gas flow) to the discharge branch 39 of the recirculation tube 50 (arrow j> Fig. 1a). is determined by the air consumption for bacterial culture at an aeration rate of 1-1.5 WM For aerobic microorganisms, it is desirable to maintain an oxygen transfer rate (OTR) in the range of 150-250 mmol Og / dm · h. is achieved by adjusting the pump 38 so that the circulating liquid flow rate is 50 - 80% of the it air). Due to the high turbulence směsiplyn-kapallna with dispersing elements 45 and 46 built into the recirculation pipe 50 (see Fig. Id and Ic) forming a very fine dispersion of gas-liquid interfacial surface renewal and is thus extremely intense. The pressure drop in droplet formation in the dispersing elements 45, 46 does not exceed (0.8-1.0) 10 10 Pa.

Disperze plyn-kapalina vstupuje do koKkrgťhgJ reaktoru dnem ,1/ňátrubkem 2, pro vstup kapaliny a tangenciálním kanálkem J (obr. Ib). Působením frontálního povrchu ^ve The gas-liquid dispersion enters the co-reactor through the bottom 1 / through the tube 2 for the liquid inlet and the tangential channel J (FIG. Ib). The action of the frontal surface ⁱⁿ

- 23 tvaru závitu je kapalina nucena ke spirálnímu stoupavému pohybu. Médium, obsahující kapalnou a plynnou fázi vstupuje do reaktoru rychlostí 10 - 20 m/s. Tato rychlost vstupu způsobuje stoupavý spirální pohyb média v reakčním prostoru 15 ýe válcovém mezikruží vně cirkulační trubky 17. Bubliny plynu, které se při stoupání aglomerují se pohybují v reaktoru po dráze tvaru spirály, Símž se jejich průměrná doba zdržení v reakčním prostoru prodlužuje. Na druhé straně, v důsledku působení sil různých směrů, vznikají v reakčním prostoru 15 takové střižné síly, které rozbíjejí již vytvořené aglomeráty bublin a tím zvyšují specifické mezifázové plochy plyn-kapalina.- 23 in the form of a thread, the liquid is forced to spiral upward movement. The medium containing the liquid and gaseous phases enters the reactor at a speed of 10-20 m / s. This inlet velocity causes a rising spiral movement of the medium in the reaction space 15 or a cylindrical annulus outside the circulation tube 17. The gas bubbles which agglomerate as they rise are moved in the reactor along a spiral-shaped path, thereby increasing their average residence time in the reaction space. On the other hand, due to the forces of different directions, shear forces are created in the reaction space 15 which break up the already formed bubble agglomerates and thereby increase the specific gas-liquid interfacial surfaces.

Proud plynu s kapalinou vynáší pevné gelové částice katalyzátoru, které stoupají do jednotky III pro separaci fází nad okraj cirkulační trubky 17. Potom částice opět klesají cirkulační trubkou 17 na dno reakčního prostoru 15 spolu s autocirkulačním proudem, způsobeným plynovými bublinami. Tok gelových částic (biokatalyzátoru v tuhé fázi) a kapalná’ '·. fáze je regulován prvkem 8 pro modifikaci toku^nimo jiné také zabraňuje vzniku mrtvého prostoru v reaktoru. Tekutina tekoucí směrem dolů cirkulační trubkou 17 spolu také strhává jemně rozdělené bubliny plynu.The liquid-gas stream carries solid gel catalyst particles that ascend to the phase separation unit III above the periphery of the circulation tube 17. Then, the particles again descend through the circulation tube 17 to the bottom of the reaction space 15 along with the autocirculation flow caused by gas bubbles. Gel particle flow (solid phase biocatalyst) and liquid flow. the phase is controlled by the flow modifying element 8, among other things, also preventing the formation of dead space in the reactor. The fluid flowing down the circulation tube 17 also entrains finely divided gas bubbles together.

Plyn uniká z kapalné fáze v jednotce III pro separaci fází a opouští reaktor nátrubkem 28. Kapalina odchází z jednotky III pro separaci fází nátrubkem 22_t ale do tohoto nátrubku se může dostat pouze přes filtrThe gas escapes from the liquid phase in the unit III phase separation and leaves the reactor 28th nipple fluid coming from the unit III phase separation sleeve 22 _t into the sleeve but can only get through the filter

21. který zadržuje částice biokatalyzátoru (gelové částice).21. which retains the biocatalyst particles (gel particles).

Kapalina proudí nátrubkem 22 do sací větve 37 recirkulační trubky 50 a odtud přes čerpadlo 38 do výtlačné větve 39«The liquid flows through the nozzle 22 into the suction branch 37 of the recirculation tube 50 and from there through the pump 38 into the discharge branch 39 '.

VIN

Fermentačníproces a složení živného média se pozorně sledují analýzou vzorků, které se odebírají nátrubkem 23. který vede i jednotky III pro separaci fází.* V produkční fázi fermentace se kontinuálně odebírá produkt a zároven^za použití čerpadla nebo čerpadel připojených k nátrubkům 48 a/nebo 49 nebo pomocí přepadu* kontinuálně uvádí násada.The fermentation process and the composition of the nutrient medium are carefully monitored by analyzing samples which are taken through the sleeve 23, which also guides the phase separation units III. * In the production phase of the fermentation, the product is continuously taken and at the same time using a pump or pumps connected to the sleeves 48 and / or 49 or by means of an overflow * continuously indicates the shaft.

Jestliže je nutná výměna živného média, tak se fermgnátační médium vypustí otvorem 11 otevřením ventilu 13 (obr. la) a reaktor se naplní čerstvým živným médiem, jak bylo podrobně popsáno dříve.If replacement of the nutrient medium is necessary, the fermentation medium is drained through the opening 11 by opening the valve 13 (FIG. 1a) and the reactor is filled with fresh nutrient medium as described in detail earlier.

Po dokončení celého fermentačního cyklu se fermentační médium spolu s gelovými částicemi s katalyzátorem vypustí otvorem 12 otevřením ventilu 14.Upon completion of the entire fermentation cycle, the fermentation medium, along with the catalyst gel particles, is discharged through the opening 12 by opening the valve 14.

Potom se reaktor vysterilizuje parou.Then the reactor is steam sterilized.

Uspořádání přístroje podle obr. 2a,The apparatus of FIG. 2a,

2b, bez ohledu na chybějící jednotku pro tvorbu kapek,je vlastně stejné jako na obr. la - le, a proto jsou k označování stejných částí reaktoru použity stejné vztahové značky jako na obr. la - le. Reaktor podle obr. 2a, 2b je sestrojen v pod obě vhodné pro realizaci kvasikontinuální fermentace s mikroorganismy.-imobilizovanými na předem vytvořeném nosiči, jehož hustota je menší než hustota média. Specifickým znakem procesu je to, že probíhá anaerobně nebo2b, irrespective of the missing drop formation unit, is actually the same as in FIG. 1a-1e, and therefore the same reference numerals as in FIGS. The reactor of FIGS. 2a, 2b is constructed in a pod suitable for conducting a quasicontinuous fermentation with microorganisms immobilized on a preformed support whose density is less than that of the medium. A specific feature of the process is that it proceeds anaerobically or

- 25 vyžaduje pouze malé množství vzduchu. Zároveň však plyn (například oxid uhličitý) jako vedlejší produkt inhibuje fermentaci, například ethanolovou fermentaci s buňkami Saccharomyces. Proto se používá inertního plynu (například dusíku) nebo směsi inertního plynu a vzduchu k vypuzování oxidu uhličitého z kapalné fáze. Dalším charakteristickým znakem je skutečnost, že produkt mé také inhibiční vliv na fermentaci· Tudíž, aby se íabránilo zpětnému promíchávání tekutiny, seřazuje se několik reaktorů do kaskády·- 25 requires only a small amount of air. At the same time, gas (e.g., carbon dioxide) as a by-product inhibits fermentation, e.g., ethanol fermentation with Saccharomyces cells. Therefore, an inert gas (e.g. nitrogen) or a mixture of inert gas and air is used to expel carbon dioxide from the liquid phase. Another characteristic is the fact that the product also has an inhibitory effect on fermentation · Therefore, in order to prevent back-mixing of the fluid, several reactors are arranged in a cascade ·

Jak je uvedeno dříve, jednotka I pro vstup média přístroje podle obr· 2a se liší od téže jednotky podle obr.'la tím, že je opatřena duplikátorovým pláštěm 51. který vymezuje úzký prostor 51a pro thermostatování. Dávkovači nátrubek 52 vedoucí víkem do komory 18 je připojený k jednotce III pro separaci fází místo k jednotce pro tvorbu kapek, kde se dávkování uskutečňuje regulací hladiny· Kaskáda reaktorů může být propojena takovým systémem trubek a ventilů, aby pořadí reaktorů bylo proměřit tělné během procesu. Jednotlivé členy kaskády (reaktory) &1 - K jsou spojeny trubkami 60, 61.As mentioned previously, the medium input unit I of the apparatus of FIG. 2a differs from that of FIG. 1a in that it is provided with a duplicator jacket 51 which defines a narrow space 51a for thermostatization. The metering nozzle 52 leading through the lid to the chamber 18 is connected to the phase separation unit III instead of to the droplet formation unit, where dosing is effected by level control. The reactor cascade can be interconnected by a system of tubes and valves to measure the sequence of the reactors body during the process. Individual cascade members (reactors) & 1 - K are connected by tubes 60, 61.

Přístroj podle obr. 2a, 2b pracuje následovně:The apparatus of Figs. 2a, 2b operates as follows:

Reaktory K, - K^ kaskádové řady (obr. 2b) se naplní živným médiem za pomoci čerpadel 57 až 52· Potom se uzavřou ventily 47b a kaskáda reaktorů se sterilizuje obecně známým způsobem sterilizace fermentorů.The cascade row reactors K1 - K1 (FIG. 2b) are filled with nutrient medium by means of pumps 57-52. Valves 47b are then closed and the reactor cascade is sterilized by a generally known method of sterilizing fermenters.

- 26 Po skončení sterilizace se reaktory ochladí a nastaví se fermentační teplota. Dávkovacím nátrubkem 52 se do sterilního živného média přidají částice biokatalyzátoru, obsahující imobilizoÝané buňky Saccharomycěs. Hladina živného média stoupne k hornímu okraji cirkulační trubky 17 (obr. 2a).- 26 After sterilization, the reactors are cooled and the fermentation temperature is set. Biocatalyst particles containing immobilized Saccharomyces cells were added to the sterile nutrient medium via dosing nozzle 52. The nutrient medium level rises to the upper edge of the circulation tube 17 (FIG. 2a).

V dalším stupni se vždy nátrubkem 44 přes trysku 43 vhání do reaktorů K^ - K^ spojených v kaskádě sterilní inertní plyn nebo směs inertního plynu a vzduchu. Průtok/ plynu musí být dostatečný pro vypuzení oxidu uhličitého produkovaného během fermentace a pro umožnění autocirkulace suspenze tuhé létka-kapalina v reakčním prostoru. Aby byl zajištěn intenzivní přenos hmoty mezi plynem a kapalinou, kapalina cirkuluje za pomoci cirkulačního čerpadla 38 v každém z reaktorů kaskády přes dispergační-** prvky 45 a 46 v recirkulační trubce 50 (viz také prvky uvedené v souvislosti s obr. la - le). Plyn, obsahující oxid uhličitý v každém z reaktorů řady K^ - uniká z kapalné fáze v komoře 18 jednotky III pro separaci fází. Plyn opouští reaktor nátrubkem 55. kapalina opouští reakční prostor 15 přes filtr 21 nátrubkem 22 (filtr 21 zachycuje částice katalyzátoru). Kapalina proudí sací větví 37 recirkulační trubky 50 do.čerpadla 38 a dále do výtlačné větve 39.In the next step, sterile inert gas or a mixture of inert gas and air is injected into the reactors K1-K1 through the nozzle 43 through the nozzle 43 in a cascade. The flow / gas must be sufficient to expel the carbon dioxide produced during the fermentation and to allow autocirculation of the solid fly-liquid suspension in the reaction space. In order to ensure an intense mass transfer between the gas and the liquid, the liquid is circulated by means of a circulation pump 38 in each of the cascade reactors through the dispersing elements 45 and 46 in the recirculation tube 50 (see also elements shown in connection with Figs. . The carbon dioxide-containing gas in each of the reactors of the K1 series escapes from the liquid phase in the chamber 18 of the phase separation unit III. The gas leaves the reactor through the nozzle 55. the liquid leaves the reaction space 15 through the filter 21 through the nozzle 22 (the filter 21 retains the catalyst particles). The liquid flows through the suction branch 37 of the recirculation tube 50 into the pump 38 and further into the discharge branch 39.

Po dosažení předem stanoveného počtu buněk se zahájí kontinuální dávkování sterilního živného média pomocí čerpadel 57 - 59 (obr. 2b) a zároveň kontinuální odebírání produktu.Upon reaching a predetermined number of cells, continuous dosing of the sterile nutrient medium is started by means of pumps 57-59 (Fig. 2b), while continuous product withdrawal.

- 27 Uspořádání přístroje podle tohoto vynálezu, která je ukázáno na obr. 3a a 3b se používá pro biochemické reakce, které jsou katalyzovány vázanými enzymy. Přitom je jeden substrát v kapalné fázi a druhý substrát v plynné fázi a enzym je imobilizován v malých částicích nosiče, které mají nízkou hustotu a jsou citlivé k deformacím. Takovou reakcí je například oxidace glukosy na kyselinu glukonovou za přítomnosti glukosa-oxidasy, kdy glukosa-oxidasa je imobilizovéna v kuličkách polyakrylamidového perlového polymeru.The arrangement of the apparatus of the invention shown in Figures 3a and 3b is used for biochemical reactions that are catalyzed by bound enzymes. In this case, one substrate is in the liquid phase and the other substrate in the gas phase, and the enzyme is immobilized in small carrier particles of low density and susceptible to deformation. Such a reaction is, for example, the oxidation of glucose to gluconic acid in the presence of glucose oxidase, wherein the glucose oxidase is immobilized in beads of polyacrylamide bead polymer.

Hlavními částmi přístroje jsou jednotka VI pro odvod tekutiny, reakční jednotka II a jednotka V pro dispergaci plynu s nucenou cirkulací.The main parts of the apparatus are the liquid evacuation unit VI, the reaction unit II and the forced circulation gas dispersion unit V.

Jednotka VI pro odvod tekutiny sestává z komory 63 tvaru obráceného komolého kužele. Z této komory vychází nátrubek 64 pro odvod média a ústí do ní nátrubek 65 pro přívod pomocného plynu. Pro vypouštění kapaliny bez částic nosičového katalyzátoru z reaktoru slouží nátrubek 67 s ventilem 66 a pro vypouštění veškerého obsahu reaktoru nátrubek 69 s ventilem 68. Otvory 64, 67 a 69. vedoucí z komory 63 jsou odděleny od vnitřku komory filtračním prvkem ze sítovité tkaniny ve tvaru komolého kužele. Filtr 70 je umístěn na vnitřním povrchu komory 63. Velikost jeho pórů je určena tak, aby filtr kladl takový odpor plynné fázi, že tato fáze bude stoupat reakčním prostorem ve směru nejmenšího odporu· Nátrubek 65 pro přívod proudu pomocného plynu je spojený s tryskou 71. která zasahuje do vnitřku komory 63» Pomocí trysky 71 se dociluje ustáleného průtoku plynu. Vrcholový úhel kužele komory 63 se pohybuje mezi 50 a 70°, jeho střední průměr Ba je asi jednou třetinou průměru reaktoru a jeho výška je asi jednou pětinou celkové výšky reaktoru E.The fluid removal unit VI consists of an inverted truncated cone-shaped chamber 63. A nozzle 64 for discharging the medium emerges from this chamber and a nozzle 65 for supplying auxiliary gas flows into it. A nozzle 67 with a valve 66 serves to discharge the catalyst-free particle-free liquid from the reactor, and to discharge all reactor contents a nozzle 69 with a valve 68. The openings 64, 67 and 69 leading from the chamber 63 are separated from the interior of the chamber by a mesh filter element truncated cone. The filter 70 is located on the inner surface of the chamber 63. Its pore size is determined so that the filter imparts a vapor phase such that it will rise through the reaction space in the direction of least resistance. A nozzle 65 for supplying the auxiliary gas stream is connected to the nozzle 71. The nozzle 71 achieves a steady gas flow. The top cone angle of chamber 63 is between 50 and 70 °, its mean diameter Ba being about one third of the reactor diameter, and its height being about one fifth of the total height of reactor E.

Autocirkulační reakčni jednotka II je spojena s jednotkou VI pro odvod média. Jednotka II má dvě části, dolní část 73 ve tvaru obráceného komolého kužele a horní válcovou část 74. Dolní část 73 lze považovat za pokračování komory 63. Poměr výšky spódni části 73 k výšce horní části 74 je 1 : 3· Celková výška E reaktoru (vybudovaného jako jeden celek zahrnující jednotku VI pro odvod tekutiny a reakční jednotku II) není větší než L,8 - 2,5 násobek průměru reakčního prostoru 75 (válcové horní části 74). Cirkulační trubka 76 je umístěna ve svislé geometrie ké ose x reaktoru a skládá se ze tři částí; ze spodní válcové části 77 o menším průměru e^, z horní válcové části 78 o větším průměru a ze střední části 12, ležící mezi nimi. Střední část 79 má tvar obráceného komolého kužele. Délky jednotlivých částí reakční trubky 76 jsou postupně ode dna značeny písmeny C^, Cg, Cy Doporučuje se zachovat poměry: : Cg : = 3 : 1 : 3 a E^ : eg =* 1 : 4, dále e^ : 3^ = 1:2. Výška reakčního prostoru 75 je stejná nebo téměřThe autocirculation reaction unit II is connected to a medium removal unit VI. The unit II has two parts, an inverted truncated cone lower part 73 and an upper cylindrical part 74. The lower part 73 can be considered a continuation of the chamber 63. The ratio of the height of the lower part 73 to the height of the upper part 74 is 1: 3. constructed as one unit comprising the fluid removal unit VI and the reaction unit II) is not greater than 1.8-2.5 times the diameter of the reaction space 75 (cylindrical upper portion 74). The circulation tube 76 is located in the vertical geometry of the reactor x-axis and consists of three parts; a lower cylindrical portion 77 of smaller diameter ε, a upper cylindrical portion 78 of larger diameter and a central portion 12 therebetween. The central portion 79 has the shape of an inverted truncated cone. The lengths of the individual parts of the reaction tube 76 are labeled from the bottom with the letters C ^, Cg, Cy. It is recommended to keep the ratios: Cg: = 3: 1: 3 and E ^: eg = * 1: 4, then e ^: 3 ^ = 1: 2. The height of the reaction space 75 is the same or nearly

- 29 stejná jako výška cirkulační trubky 76, ale spodní konec spodní válcové části cirkulační trubky 76 zasahuje do vnitř ku komory 63. Tento spodní konec je umístěn ve výšce asi Ba/3 nad vrcholem trysky 71. která zasahuje do komory 63. Jednotka VI pro odvod média a reakční jednotka II jsou opatřeny duplikátorovým pláštěm 80a. který vymezuje prostor 80 pro thermostetování.29 equal to the height of the circulation tube 76, but the lower end of the lower cylindrical portion of the circulation tube 76 extends into the interior of the chamber 63. This lower end is located at a height of about Ba / 3 above the tip of the nozzle 71 that extends into the chamber 63. the medium removal and reaction unit II are provided with a duplicator jacket 80a. which delimits a space 80 for thermostetting.

Dávkovači nátrubek 81 tangenciálně ústí do horní válcové části cirkulační trubky 76 asi v dolní čtvrtině výšky C^. Nátrubek 81 vede stěnou nádrže 21 (a duplikátorovým pláštěm 80a). Nátrubek 81 je účelně vodorovný a jeho průměr je asi jednou desetinou průměru horní válcové části 78.The dispensing nozzle 81 tangentially opens into the upper cylindrical portion of the circulation tube 76 at about the lower quarter of the height C1. The nozzle 81 extends through the wall of the tank 21 (and through the duplicator jacket 80a). The sleeve 81 is expediently horizontal and has a diameter of about one-tenth of the diameter of the upper cylindrical portion 78.

Reakční prostor 75 je uzavřen víkem 82. z něhož vede nátrubek 83 pro odvod plynu z reakčního prostoru a do něhož ústí dávkovači nátrubek 84 pro katalyzátor.The reaction space 75 is closed by a lid 82 from which a nozzle 83 for evacuating gas from the reaction space extends and into which a metering nozzle 84 for the catalyst flows.

Jeden konec recirkulační trubky 85, je spojen s nátrubkem 64 jednotky VI pro odvod média a druhý konec je připojen k dávkovačimu nátrubku 81. který ústí do reakčního prostoru. Recirkulační trubka 85 obsahuje vestavěné dispergáční prvky 45 a 46 viz obr. Id a le. Recirkulační trubka 85 se skládá ze sací větve 82, od nátrubku 64 k cirkulačnímu čerpadlu 86 a výtlačné větve 88. od čerpadla 86 k dóvkovacímu nátrubku 81. Ve výtlačné větvi 88 je vestavěný konfuzor 89 pro značné urychlení průtoku.One end of the recirculation tube 85 is connected to the nozzle 64 of the media removal unit VI and the other end is connected to the dispensing nozzle 81, which opens into the reaction space. The recirculation tube 85 comprises built-in dispersing elements 45 and 46 as shown in Figures 1d and 1e. The recirculation tube 85 comprises a suction branch 82, from a nozzle 64 to a circulation pump 86 and a discharge branch 88. from a pump 86 to a nozzle 81. In the discharge branch 88, a confuser 89 is built-in to significantly accelerate the flow.

- 30 Nátrubek 92 s tryskou 91 slouží k přívodu plynu. Dispergační prvky ^5 jsou ve svislé části výtlačné větve 88 mezi konfuzorem 89 a nátrubkem 81 (obr. Id) a dispergáční prvky 46 jsou vestavěny ve vodorovné části výtlačné větve (obr. le). Dispergáční element 46 je umístěn v nátrubku 81. způsobem uvedeným na obr. 3b.The nozzle 92 with the nozzle 91 serves to supply gas. The dispersing elements 45 are in the vertical part of the discharge branch 88 between the confuser 89 and the nozzle 81 (FIG. 1d) and the dispersing elements 46 are built in the horizontal part of the discharge branch (FIG. 1e). The dispersion element 46 is disposed in the sleeve 81 in the manner shown in FIG. 3b.

Nátrubek 93 s ventilem 94 ústí do sací větve 87 před nátrubkem 64. podobně jako je prvek 89 pro urychlení toku a s výhodou nátrubek 95 s ventilem 96 umístěn před konfuzorem sloužícím k uvádění substrátu.The nozzle 93 with the valve 94 opens into the suction branch 87 in front of the nozzle 64, similar to the flow acceleration element 89, and preferably the nozzle 95 with the valve 96 is positioned upstream of the confuser serving to introduce the substrate.

Reaktor podle obr. 3a a 3b funguje následovně:The reactor of FIGS. 3a and 3b functions as follows:

Chemicky vysterilizovaný reaktor se naplní dávkovacím nátrubkem 84 pro katalyzátor kuličkami polyakrylamidu s imohilizovaným enzymem, které jsou suspendovány v substrátu, kterým je glukosa. Objem dávky imobilizovaného enzymu je asi 30 - 40 % užitečného objemu reaktoru. Potom se přidává roztok substrátu nátrubkem 95 ve směru šipky £ při otevřeném ventilu 96 do výtlačné větve 88 recirkulační trubky 85 pomocí čerpadla 86. Roztok substrátu (glukosy) se uvádí trubkou 81 do reakčního prostoru 75» Uvádění glukosy pokračuje dokud hladina kapaliny nedosáhne horního okraje cirkulační trubky 76. Tehdy se uzavře ventil 94.The chemically sterilized reactor is charged with the catalyst metering nozzle 84 of immobilized enzyme beads suspended in a glucose substrate. The immobilized enzyme dose volume is about 30-40% of the useful reactor volume. Substrate solution is then added via nozzle 95 in the direction of arrow 8 while valve 96 is open to discharge line 88 of recirculation tube 85 via pump 86. Substrate solution (glucose) is fed through tube 81 to reaction space 75. The glucose feed continues until the liquid level reaches the upper edge of the circulation The valve 94 is then closed.

- 31 Po vytemperování na reakční teplotu pomocí kapaliny, cirkulující v prostoru 80 pro regulaci teploty se pomocným vstupním nátrubkem 65 a tryskou 71 začne přivádět pomocný proud vzduchu, který způsobí autocirkulaci kapaliny s částicemi katalyzátoru. Objemová rychlost pomocného proudu vzduchu je rovná asi jedné desetině objemového průtoku vzduchu (uváděného nátrubkem 92). který se přivádí jako zdroj kyslíku pro reakci. Bubliny vzduchu stoupají od trysky 71 do spodní válcové části 77 cirkulační trubky 76 a způsobují nasávání kapaliny a částic biokatalyzátoru, které mají nižší hustotu než kapalná fáze, v niž jsou suspendovány. Tímto způsobem se kapalina s částicemi pohybuje směrem vzhůru cirkulační trubkou 76 a recirkuluje mezikružím mezi vnější stěnou cirkulační trubky 76 a vnitřním povrchem stěny nádrže 72. V cirkulační trubce 76 dochází k intenzivní aglomeraci bublin, a proto je tento po mocný průtok vzduchu vlastně nevýznamný jako zdroj kyslíku; slouží pouze k regulaci cirkulace částic.After tempering to the reaction temperature with the liquid circulating in the temperature control chamber 80 with the auxiliary inlet nozzle 65 and the nozzle 71, an auxiliary air stream will be supplied which causes the liquid to autocirculate with the catalyst particles. The volumetric velocity of the auxiliary air flow is about one-tenth of the volumetric airflow (indicated by the nozzle 92). which is supplied as the oxygen source for the reaction. The air bubbles rise from the nozzle 71 to the lower cylindrical portion 77 of the circulation tube 76 and cause suction of liquid and biocatalyst particles having a lower density than the liquid phase in which they are suspended. In this way, the particulate fluid moves upwardly through the circulation tube 76 and is recirculated between the outer wall of the circulation tube 76 and the inner wall surface of the tank 72. In the circulation tube 76, there is an intense agglomeration of bubbles and is therefore insignificant oxygen; they serve only to regulate the circulation of particles.

Požadovaná koncentrace kyslíku se získá v kapalné fázi tím, že se v řecirkulační trubce 85 provádí nucená cirkulace pomocí čerpadla 86; čerpadlo 86 na sa'va kapalinu nátrubkem 64 pro odvádění kapaliny, při čemž filtr uachycuje částice katalyzátoru v komoře 63. Čerpadlo 86dodává kapalinu do výtlačné větve 88 a zde ji směšuje s proudem vzduchu přiváděným nátrubkem 92 a tryskou 91 ve směru Šipky p. Ve výtlačné větvi 88 dispergační prvkyThe desired oxygen concentration is obtained in the liquid phase by forced circulation in the recirculation tube 85 by means of a pump 86; The pump 86 feeds the liquid into the discharge branch 88 and mixes it there with the air flow through the nozzle 92 and the nozzle 91 in the direction of the arrow p. branch 88 dispersing elements

- 32 45 a 46 (popsané na obr. la až le) zajištují požadovaný transport kyslíku z plynné do kapalné fáze.32 and 45 (described in FIGS. 1a to 1e) provide the desired transport of oxygen from the gaseous to the liquid phase.

Disperze plyn-kapalina proudí výtlačnou větví 88 a nátrubkem 81 do horní válcové části 78 cirkulační trubky 76. Dále kapalina přepadává přes horní okraj cirkulační trubky 76 a spolu s částicemi katalyzátoru klesá dolů mezi stěnou nádrže 72 a vnějším povrchem cirkulační trubky 76 a vrací se tak na dno reaktoru. Plyn opouští reaktor nátrubkem 83.The gas-liquid dispersion flows through the discharge branch 88 and the nozzle 81 into the upper cylindrical portion 78 of the circulation tube 76. Further, the liquid falls over the upper edge of the circulation tube 76 and drops with the catalyst particles down between the tank wall 72 and the outer surface of the circulation tube 76. to the bottom of the reactor. The gas leaves the reactor through the nozzle 83.

Význam tangenciálního přivádění tekutiny nátrubkem 81 spočívá ve skutečnosti, že roztok substrátu s vysokým obsahem kyslíku se pohybuje po spirálové dráze a tím je s částicemi katalyzátoru v v cirkulační trubce v intenzivním kontaktu delší dobu, což umožňuje řádnou konverzi.The significance of tangential fluid delivery through the nozzle 81 is that the high oxygen substrate solution moves along a spiral path and is in intensive contact with the catalyst particles in the circulation tube for a long time, allowing proper conversion.

Reakce se může provádět kontinuálním způsobem. V tomto případě se roztok substrátu přivádí ve směru šipky o při otevřeném ventilu 96. Produkt se odebírá ve směru šipky t nátrubkem 93 při otevřeném ventilu 94.The reaction may be carried out in a continuous manner. In this case, the substrate solution is fed in the direction of the arrow o with the valve 96 open. The product is withdrawn in the direction of the arrow t with the nozzle 93 with the valve 94 open.

Je také' možné několik lektorů spojit do kaskády.It is also possible to connect several lecturers in a cascade.

V případě vsádkové kultivace v reaktoru se produkt odvádí z komory 63 nátrubkem 67 při otevřeném ventilu 66. Reaktor se úplně vypouští nátrubkem 69 při otevřeném ventilu 68.In the case of batch culture in the reactor, the product is discharged from the chamber 63 through the mouthpiece 67 with the valve 66 open. The reactor is completely discharged through the mouthpiece 69 with the valve 68 open.

Výhody vynálezu je možno shřnout takto:The advantages of the invention can be summarized as follows:

Základní výhoda přístroje podle vynálezu spočívá v možnosti ekonomicky provádět vysoce specifické biokatalytické aerobní operace v přítomnosti biokatalyzátoru v pevné fázi při maximálním využití výhod aplikace biokatalyzátoru v buhé fázi· Současně se odstraňují obtíže s přenosem hmoty, které vznikají při použití tradičních metod, intenzifikací kontaktu plyn-kapalina a ustálenou cirkulací biokatalyzátoru, který je imobilizován v částicích nosiče. Další významnou výhodou je oddělení reakčního prostoru přístroje od prostoru, kde dochází k intenzivnímu kontaktu plyn-kapalina, takže částice katalyzátoru nejsou vystaveny vysokému mechanickému napětí a tudíž se během biokatalytické reakce nepoškozují.The main advantage of the device according to the invention lies in the possibility of economically performing highly specific biocatalytic aerobic operations in the presence of a solid-state biocatalyst while maximizing the benefits of the application of the biocatalyst in a single phase. liquid and steady-state circulation of the biocatalyst which is immobilized in the carrier particles. Another significant advantage is the separation of the reaction space of the apparatus from the space where intense gas-liquid contact occurs, so that the catalyst particles are not exposed to high mechanical stress and thus do not damage during the biocatalytic reaction.

Jestliže se jako biokatalyzátoru používá buněčné kultury zvláště citlivé k infekci, pak přednostní provedení přístroje podle vynálezu nabízí možnost uzavření buněk do gelu in šitu, tj. vytvoření tuhých perel biokatalyzátoru přímo v reaktoru, při čemž imobilizace je intenzivnější a šetrnější než při použití známých metod.When cell cultures particularly susceptible to infection are used as the biocatalyst, a preferred embodiment of the device of the invention offers the possibility of enclosing the cells in gel in situ, i.e. forming solid beads of the biocatalyst directly in the reactor, immobilizing is more intense and gentler than using known methods.

Další výhodou je možnost přidávat a vhodně distribuovat inertní plyn (nebo směs inertního plynu a vzduchu) a tím odstraňovat škodlivé plynné vedlejšíAnother advantage is the possibility to add and suitably distribute the inert gas (or mixture of inert gas and air) and thereby eliminate harmful gaseous by-products

- 34 produkty z kapalné fáze fermentoru při ekonomickém využití inertního plynu.- 34 products from the liquid phase of the fermenter with economical use of inert gas.

Konečně důležitou výhodou při seřazení přístrojů do kaskády je skutečnost, že hiokatalytické procesy, při nichž produkt a/nebo plyn jako vedlejší produkt (například oxid uhličitý) inhibuje biokatalytický proces, mohou být prováděny s větší účinností»Finally, an important advantage in cascade devices is that hiocatalytic processes in which the product and / or gas as a by-product (eg carbon dioxide) inhibits the biocatalytic process can be performed with greater efficiency »

Vynález přirozeně není omezen na pro vedení, která jsou podrobně popsána v předcházejícím textu, a pro jeho rozsah je směrodatné pouze následující definice předmětu vynálezu.Naturally, the invention is not limited to the lines described in detail above and only the following definitions of the subject matter of the invention are decisive for its scope.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION _Λ '' R *, # *

1. Apparatus for carrying out a biocatalytic process with a solid-state biocatalyst having a reaction chamber comprising a circulation tube, a device for introducing catalyst, nutrient medium and gas into the reaction chamber, a device for removing the product obtained during biocatalysis and a gas which is separated in the process, characterized in that it comprises a recirculation tube (50, 85), both ends of which pass into the reaction space (15, 75) at one another, there is a filter element (21, 70) therein for holding the solid support with a catalyst in the reaction space (15, 75) in front of the outlet opening for removing the treated material from the reaction space (15, 75); a recirculation pump (38, 86) is built in the recirculation tube (85), which divides it into the discharge branch (39, 88) and the suction branch (37, 87), into the discharge branch (39, 88) is downstream of the pump, a flow direction (g) of the medium to be treated, a flow acceleration element (42, 89) incorporated therein and then a gas supply tube (44, 92) opens into it; and in addition, the discharge portion (39, 88) comprises dispersing elements (45, 46) with gas.

Apparatus according to claim 1, characterized in that it comprises a phase separation chamber (18) connected to the reaction space (15), provided with a gas outlet connection (28, 55) from which the bottom part extends

- a suction branch (37) of the recirculation tube (50) and into whose bottom a circulation tube (17) located in the reaction space (15) extends.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a cylindrical reaction space (15) enclosed by a similarly cylindrical bottom (1) in which a channel (3) tangentially adjacent the inlet opening of the discharge branch (39) is recirculated tubes (50).

Device according to claim 3, characterized in that the upper face (5) of the bottom (1) is formed

C as it inclined curved surface shape ^f L of the thread, which comes from the lower part of the inflow opening of the discharge branch (39) and extends up to the top of the opening.

Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that it comprises a discharge opening (11) led through the bottom (1), provided on the outside with a valve (13) and topped from the reaction space by a filter element (10), (10) a conical flow modification device (8) having an upwardly decreasing cross-section extending into the interior of the circulation tube (17) is fastened.

An apparatus according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a sleeve (48,

- 37 95) for introducing the process liquid which leads to the discharge branch (39, 88) of the recirculation tube (50, 85) between the pump (38, 86) and the flow acceleration element (42, 89) and the sleeves (49, 93) for removing the product obtained as a result of the biocatalytic process that leads from the suction branch (37,87) of the recirculation tube (50).

Apparatus according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises a sleeve (52) opening into the phase separation chamber (18) for introducing the solid biocatalytic material into the reaction space (15).

Apparatus according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that it comprises a drop formation head (25) leading to a phase separation chamber (18) for introducing a biocatalytic material, for example sol drops, in which they are enclosed a bacterium, which is connected to a sol receiving tank (27), the reservoir (27) comprising a agitator.

Apparatus according to claim 8, characterized in that it comprises a valve (26) built-in between the drop-forming head (25) and the tank (27).

Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that it comprises a drop-forming head (25),

- 38 extending into the interior of the phase separation chamber (18).

Apparatus according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that the circulation tube (17) extends below the reaction space (75), which is conical at the bottom and cylindrical at the top, wherein the circulation tube (17) comprises an upper cylindrical part (78). having a larger diameter (e ^) and a lower cylindrical portion (77) of smaller diameter (e ^) connected by a conical intermediate portion (79), the apparatus comprising a conical chamber (63) as a continuation of the conical bottom (73) of the reaction space ( 75) downwardly connected to the suction branch (87) of the recirculation tube (8 ^ T *), wherein the discharge branch (88) of the recirculation tube (85) extends tangentially into the lower part of the upper cylindrical part (78) of the circulation tube (76) and a suction branch (87) extending from the chamber (63) is provided with a filter element (70).

Apparatus according to claim 11, characterized in that it comprises a nozzle (s) for supplying auxiliary gas which passes through a wall surrounding the conical chamber (63) at the bottom of said chamber 8 and directed towards the opening of the lower cylindrical part (77) of the circulation tube. 76) extending into the chamber (63).

Apparatus according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the length of the discharge branch (39, 88) of the recirculation tube (50, 85) exceeds many times

- 39 the length of the suction branch (37, 8f) of the recirculation tube (50, 85).

Apparatus according to any one of Claims 1 to 13, characterized in that it comprises gas dispersing elements (45) comprising a confuser (45b), a diffuser (45c) and a connecting slot (45a).

Apparatus according to any one of Claims 1 to 14, characterized in that it comprises dispersing elements (46) with a straight bar (46a) which is wrapped by a spiral (46b).