DD241267A1

DD241267A1 - METHOD AND DEVICE OF A FIXED BREAKER

Info

Publication number: DD241267A1
Application number: DD28115185A
Authority: DD
Inventors: Wilfried Schneider; Thomas Ernestin
Original assignee: Halle Ingenieurtech
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1986-12-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Temperieren von Festbettreaktoren fuer enzymatisch katalysierte Reaktionen. Das Temperieren geschieht erfindungsgemaess durch einen Temperierwasserkreislauf, in dem das Temperierwasser zwei Waermeuebertrager (W 1 und W 2) durchstroemt, wobei W 1 mit Heizdampf und W 2 mit Kuehlwasser beaufschlagt werden. W 1 bestimmt die untere und W 2 die obere Temperaturgrenze des Kreislaufes. Im Anschluss daran passiert das Temperierwasser die senkrechten Reaktoreinbauten sowie den Reaktoraussenmantel. Durch das erfindungsgemaesse Verfahren werden die Standzeiten des Enzym-Traeger-Komplexes verlaengert und die Anfahrperiode verkuerzt.The invention relates to a method and apparatus for tempering fixed bed reactors for enzymatically catalyzed reactions. The tempering is done according to the invention by a Temperierwasserkreislauf in which the Temperierwasser two Waermeuebertrager (W 1 and W 2) durchroemt, wherein W 1 are supplied with heating steam and W 2 with cooling water. W 1 determines the lower and W 2 the upper temperature limit of the circuit. Thereafter, the tempering water passes through the vertical reactor internals and the outer jacket of the reactor. By the method according to the invention, the service lives of the enzyme-carrier complex are extended and the start-up period is shortened.

Description

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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperierung von enzymatisch katalysierten Reaktionen im Festbettreaktor.The invention relates to a method and a device for controlling the temperature of enzymatically catalyzed reactions in a fixed bed reactor.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Enzymatisch katalysierte Reaktoren werden häufig an trägergebundenen Enzymen in Festbettreaktoren durchgeführt. Enzyme sind Biokatalysatoren, und als solche erreichen sie ihre maximale Arbeitsfähigkeit in der Regel unter Temperaturbedingungen, welche die des natürlichen Milieus der Enzyme, z. B. tierische oder pflanzliche Zellen, oft nur wenig übersteigt. Die Lebensdauer der Enzyme wird aber in erster Linie von deren thermischer Denaturierung begrenzt, wobei die Geschwindigkeit der Denaturierung mit Erhöhung der Temperatur ebenfalls steigt.Enzymatically catalyzed reactors are often carried out on supported enzymes in fixed bed reactors. Enzymes are biocatalysts and, as such, usually reach their maximum workability under temperature conditions which are those of the natural environment of the enzymes, e.g. B. animal or plant cells, often only slightly exceeds. However, the lifetime of the enzymes is limited primarily by their thermal denaturation, with the rate of denaturation also increasing with increasing temperature.

Bei exothermen Reaktionen wird durch die Erhöhung der Reaktortemperatur die Standzeit des Reaktorbettes zwangsläufig gesenkt. Bei der enzymatischen Hydrolyse von Saccharose, die mit positiver Wärmetönung abläuft, ist ein Aufwärmen des Reaktorbettes um ca. 10 bis 15K möglich. Die Halbwertszeit der Enzymaktivität des Polystyren-Invertase-Komplexes sinkt bei einer Temperaturerhöhung von 10 K in Abhängigkeit von der Substratkonzentration beträchtlich.In exothermic reactions, the service life of the reactor bed is inevitably lowered by increasing the reactor temperature. In the enzymatic hydrolysis of sucrose, which proceeds with positive heat of reaction, a warming of the reactor bed by about 10 to 15K is possible. The half-life of the enzyme activity of the polystyrene invertase complex decreases considerably with a temperature increase of 10 K, depending on the substrate concentration.

Substratkonz. (g/l)Substratkonz. (G / l) Temperatur (°C)Temperature (° C) HalbvHalbv 500500 4040 360360 5050 42,542.5 6565 28,528.5 7070 1515 650650 5050 141141 800800 7070 131131

(Schellenberger, Mansfeld, Bericht zur Leistungsstufe A4 „Herstellung und Charakterisierung eines Invertase-Polystyren-Komplexes", Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)(Schellenberger, Mansfeld, report on performance level A4 "Production and Characterization of an Invertase-Polystyrene Complex", Martin-Luther-University Halle-Wittenberg)

Es muß also Wärme aus dem Prozeß abgeführt werden, um eine maximale Lebensdauer des Enzyms zu gewährleisten.It must therefore be removed heat from the process to ensure maximum life of the enzyme.

Andererseits muß zum Erreichen der gewünschten Reaktionstemperatur bei Anfahrvorgängen Wärme zugeführt werden.On the other hand, to achieve the desired reaction temperature during startup heat must be supplied.

Zum Ausgleich von Wärmeverlusten in mit inmobilisierten Enzymen gefüllten Festbettreaktoren wird eine Temperierung im Außenmantel des Reaktors vorgeschlagen. (Schellenberger, Wissenschaft und Fortschritt 34 [1984] 12, S. 124) Allein mit einem von dem Temperiermedium durchströmten Außenmantel ist eine gezielte Wärmezu- oder -abfuhr nur bei sehr kleinen Reaktoren (Rohrdurchmesser < 100mm) effektiv sinnvoll, da auf Grund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Enzymträgers das Erreichen einer bestimmten gewünschten Temperatur im gesamten Reaktorbett mit größer werdende Durchmesser immer größere Zeiträume in Anspruch nimmt und das Verhältnis von effektiver Wärmeübergangsfläche/ Reaktorbettvolumen mit steigendem Durchmesser immer ungünstiger wird. Monsan und Combes veröffentlichten in Biotechnology and Bioengeneering, Vol.XXVI, 1984, Betriebsergebnisse mit einem Invertasereaktorzur enzymischen Hydrolyse von Saccharose. Es werden schlangenförmigeReaktoreinbauten vorgeschlagen, die von Kühlwasser durchflossen werden, um die Reaktionswärme abzuführen.To compensate for heat losses in fixed-bed reactors filled with immobilized enzymes, a temperature control in the outer jacket of the reactor is proposed. (Schellenberger, Wissenschaft und Fortschritt 34 [1984] 12, p. 124) Alone with a flowed through by the temperature control outer jacket targeted heat supply or removal only in very small reactors (tube diameter <100mm) effectively makes sense, since due to the poor Thermal conductivity of the enzyme carrier, the achievement of a certain desired temperature in the entire reactor bed with increasing diameter requires ever larger periods of time and the ratio of effective heat transfer surface / reactor bed volume with increasing diameter becomes increasingly unfavorable. Monsan and Combes published in Biotechnology and Bioengeneering, Vol.XXVI, 1984, operating results with an invertase reactor for enzymatic hydrolysis of sucrose. Serpentine reactor internals are used, through which cooling water flows to dissipate the heat of reaction.

Kühlwasser mit Temperaturen von 10 bis 15°C ist für diesen Zweck nicht geeignet, da hierbei im Reaktorbett Unterkühlungszonen geschaffen werden, die die Reaktion verlangsamen, die Ausbeute senken und ungleichmäßige Strömungsverhältnisse schaffen.Cooling water with temperatures of 10 to 15 ° C is not suitable for this purpose, since in the reactor bed subcooling zones are created which slow down the reaction, reduce the yield and create uneven flow conditions.

Die schlangenförmigen Einbauten sind für die im Reaktor herrschenden laminaren Strömungsverhältnisse nicht geeignet, da hierbei Toträume entstehen, in denen Teile des Reaktorbettes nur wenig vom Substrat berührt werden. Es bilden sich Zonen, in denen durch Verdrängung des Substrates die Strömungsgeschwindigkeit größer ist als die mittlere und somit höhere Beanspruchung des Katalysators auftreten.The serpentine internals are not suitable for the prevailing in the reactor laminar flow conditions, since this dead spaces arise in which parts of the reactor bed are only slightly touched by the substrate. Zones form in which the flow velocity is greater than the average and thus higher stress of the catalyst by displacement of the substrate.

Lamellenförmige Wärmeübertragungsflächen (Ost, Rassow, Lehrbuch der chemischen Technologie Bd. 1, Leipzig 1965), die senkrecht zu ihrer Oberfläche von Rohren durchzogen sind, bieten wärmetechnisch gesehen dann Vorteile, wenn eine hohe Anzahl in das Reaktorbett eingebracht wird. Jedoch wird dabei das Bett in viele einzelne Segmente aufgeteilt, die der Strömung unterschiedliche Strömungswiderstände eingegensetzen können, so daß ein gleichmäßiges Durchströmen des Reaktors in Frage gestellt ist.Lamellar heat transfer surfaces (Ost, Rassow, Textbook of Chemical Technology Vol. 1, Leipzig 1965), which are traversed by tubes perpendicular to their surface, offer heat technology advantages then, when a large number is introduced into the reactor bed. However, the bed is divided into many individual segments, which can set the flow of different flow resistance, so that a uniform flow through the reactor is in question.

-2- 241 287-2- 241 287

Der insbesondere zur heterogenen Gaskatalyse eingesetzte Rohrbündelreaktor, bei dem sich der schüttfähige Katalysator in den Rohren befindet, wobei der Außenraum dieses Rohrbündels von Kühlflüssigkeit durchströmt werden kann, erweist sich auf Grund der unterschiedlichen Druckverluste in jedem Rohr (da die Korngrößenverteilungen in jedem Rohr niemals völlig identisch sind) als ungeeignet, da zwangsläufig unterschiedliche Substratdurchsätze durch die einzelnen Rohre die Folge sind. Der Verzicht auf das Abführen der Reaktionswärme und dafür das Einleiten des Substrates mit einer Temperatur, die um mehr als 4K unter der angestrebten Reaktionstemperatur liegt, verschlechtert in der Regel den Reaktionsumsatz. Das konnte im Laborversuch nachgewiesen werden.The tube bundle reactor used in particular for heterogeneous gas catalysis, in which the free-flowing catalyst is in the tubes, wherein the outer space of this tube bundle can be traversed by cooling liquid, proves due to the different pressure losses in each tube (since the grain size distributions in each tube never completely identical are unsuitable, since inevitably different substrate throughputs through the individual tubes are the result. The elimination of the dissipation of the heat of reaction and therefore the introduction of the substrate at a temperature which is more than 4K below the desired reaction temperature, usually worsens the reaction conversion. This could be proven in the laboratory experiment.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Standzeit des Enzymträgerkomplexes zu erhöhen.The aim of the invention is to increase the lifetime of the enzyme carrier complex.

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von enzymatisch katalysierten Reaktionen in Festbettreaktoren durch geeignete Einbauten im Reaktor und spezielle Wärmezu- bzw. -abfuhr zu entwickeln.The object of the invention is to develop a method and a device for carrying out enzymatically catalyzed reactions in fixed bed reactors by means of suitable internals in the reactor and special heat supply or removal.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zum schnellen Erreichen der Betriebstemperatur im Anfahrzustand und zum Abführen der Reaktionswärme im stationären Betriebszustand die Reaktortemperatur mittels eines Temperierwasserkreislaufes gesteuert wird.According to the invention the object is achieved in that the reactor temperature is controlled by means of a Temperierwasserkreislaufes to quickly reach the operating temperature in the starting state and for dissipating the heat of reaction in the steady state operating condition.

Der Temperierwasserkreislauf umfaßt die senkrechten Reaktoreinbauten, die das Reaktorbett durchziehen, den Reaktoraußenmantel und zwei temperierwasserseitig in Reihe geschaltete Wärmeübertrager (W1 und W2). W1 wird mit Heizdampf und W2 mit Kühlwasser beaufschlagt, wobei W1 die untere Temperaturgrenze und W2 die obere Temperaturgrenze des Kreislaufes bestimmt. Die Sollwerte für die Temperaturregelungen sind in Abhängigkeit vom Reaktorbetriebszustand vorgegeben.The Temperierwasserkreislauf includes the vertical reactor internals, which run through the reactor bed, the reactor outer shell and two tempering water side connected in series heat exchanger (W1 and W2). W1 is supplied with heating steam and W2 with cooling water, whereby W1 determines the lower temperature limit and W2 the upper temperature limit of the circuit. The setpoints for the temperature control are specified depending on the reactor operating condition.

Die Reaktoreinbauten und der Reaktoraußenmantel können sowohl nacheinander als auch gleichzeitig vom Temperierwasser durchströmt werden. Zur Erzielung eines wirksamen Wärmeüberganges sollte eine Wärmeübergangsfläche von 0,025 bis 0,06m² je Liter Reaktorbettvolumen eingehalten werden.The reactor internals and the outer shell of the reactor can be flowed through in succession as well as simultaneously by the tempering water. To achieve effective heat transfer, a heat transfer area of 0.025 to 0.06 m ² per liter of reactor bed volume should be maintained.

Das erfindungsgemäße Temperieren des Reaktors ermöglicht das Abführen entstehender Reaktionswärme bei gleichzeitiger Minimierung auftretender Temperaturgradienten und damit weitgehende Verhinderung konvektiver Einflüsse auf die Substratströmung und von Strömungsstörungen durch unterschiedliche Substratviskositäten innerhalb des Reaktors. Das erfindungsgemäße Temperieren ermöglicht auch das schnelle Erreichen der gewünschten Reaktionstemperatur im Reaktor, damit eine entscheidende Verkürzung der Anfahrperiode, was eine Minimierung des ungenügend umgesetzten Produktes bedeutet.The tempering of the reactor according to the invention makes it possible to remove the resulting heat of reaction while minimizing occurring temperature gradients and thus largely preventing convective influences on the substrate flow and flow disturbances due to different substrate viscosities within the reactor. The tempering according to the invention also makes it possible to quickly reach the desired reaction temperature in the reactor, thus significantly shortening the start-up period, which means minimizing the insufficiently reacted product.

embodiment

Das Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Reaktortemperierung am Beispiel eines kleintechnischen Festbettreaktors zur kontinuierlichen Saccharosehydrolyse mittels unmobilisierter Invertase veranschaulichen (Fig. 1). Das Reaktorbettvolumen beträgt 501. Das Reaktorbett wird an seinem oberen Ende durch eine Sperrharzschicht und an seinem unteren Ende durch eine Filterkiesschicht begrenzt. Es wird erfindungsgemäß von Temperierrohren 3 durchzogen, wobei die Herausführung der Rohrenden aus dem Reaktor nur im Bereich des Sperrharzes bzw. im Filterkies erfolgt. Die Rohrenden am oberen und am unteren Teil des Reaktors werden durch je eine Ringleitung 4a, 4b zusammengefaßt. Der Reaktor ist mit einem Doppelmantel 2 ausgerüstet, der vom gleichen Temperierwasser durchströmt wird, wie die Rohre im Reaktor.The exemplary embodiment is intended to illustrate the reactor temperature control according to the invention using the example of a small-scale fixed bed reactor for continuous sucrose hydrolysis by means of unmobilized invertase (FIG. 1). The reactor bed volume is 501. The reactor bed is bounded at its upper end by a barrier resin layer and at its lower end by a filter gravel layer. It is inventively crossed by tempering 3, wherein the lead-out of the pipe ends from the reactor takes place only in the region of the barrier resin or in the filter gravel. The tube ends at the top and at the bottom of the reactor are combined by a respective ring line 4a, 4b. The reactor is equipped with a double jacket 2, which is flowed through by the same temperature control, as the tubes in the reactor.

Auf Grund der sehr geringen Strömungsgeschwindigkeit des Substrates im Reaktor und der geringen Temperaturänderung des Temperierwassers längs des Reaktorbettes ist es gleichgültig, ob das Wasser im Gegen- oder Gleichstrom zum Substrat strömt.Due to the very low flow rate of the substrate in the reactor and the small change in temperature of the Temperierwassers along the reactor bed, it does not matter whether the water flows in counter or DC to the substrate.

Aus dem letztgenannten Grund ist es auch unerheblich, ob die Temperierrohre und der Doppelmantel vom Temperierwasser nacheinander oder parallel durchströmt werden.For the latter reason, it is also irrelevant whether the tempering tubes and the double jacket are flowed through by the tempering water successively or in parallel.

DerTemperierwasserkreislauf6wird mit der Pumpe 5 in Gang gehalten. Der mit Heizdampf beaufschlagte Wärmeübertrager W1 sorgt für eine Mindesttemperatur (30^CC bis 33⁰C) des Temperierwassers. Diese Temperatur wird mittels der Regelungseinrichtung TIC1 eingestellt und gewährleistet.The temperature control water circuit 6 is kept running with the pump 5. The heat exchanger W1 charged with heating steam ensures a minimum temperature (30 ^C C to 33 ⁰ C) of the tempering water. This temperature is set and ensured by means of the control device TIC1.

Während des stationären Betriebes des Invertasereaktors ist die entstehende Reaktionswärme abzuführen. Diese Wärme wird vom Temperierwasser aufgenommen, das Dampfventil an W1 bleibt geschlossen. Sobald die Temperatur des Temperierwassers einen maximalen Wert (z. B. 36°C) übersteigt, wird W2 von Kühlwasser 10 durchflossen, um eine Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf heraus zu ermöglichen und damit eine Mindesttemperaturdifferenz gegenüber der Reaktortemperatur zu gewährleisten. Dazu dient die Regelungseinrichtung TIC2.During stationary operation of the Invertasereaktors the resulting heat of reaction is dissipate. This heat is absorbed by the tempering water, the steam valve at W1 remains closed. As soon as the temperature of the tempering water exceeds a maximum value (eg 36 ° C.), cooling water 10 flows through W 2 in order to allow heat removal from the circuit and thus to ensure a minimum temperature difference with respect to the reactor temperature. The regulation device TIC2 serves this purpose.

Soll das Reaktorbett beim Anfahrvorgang schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur (40°C bis 42°C) aufgewärmt werden, wird das Temperierwasser mittels Heizdampf 9 in W1 auf ca. 40⁰C bis 45⁰C aufgeheizt. Mit dem erwärmten Wasser wird der Reaktor aufgewärmt, so daß er seine Betriebstemperatur wesentlich schneller erreicht, als es das einströmende Substrat 7 allein vermag.If the reactor bed during the start are rapidly heated to the desired operating temperature (40 ° C to 42 ° C), the heating steam is heated by means of Temperierwasser 9 in W1 to about 40 ⁰ C to 45 ⁰ C. With the heated water, the reactor is warmed up so that it reaches its operating temperature much faster than the inflowing substrate 7 alone is capable.

Claims

Invention claim:

1. A process for controlling the temperature of a fixed bed reactor for enzymatically catalylated reactions, characterized in that the temperature of the reactor is controlled by means of a Temperierwasserkreislaufes in which the tempering water flows through the heat exchanger W1 and the heat exchanger W2, wherein W1 is supplied with heating steam and W2 with cooling water, the heat supply and removal are limited by means of temperature control devices and the target values are specified depending on the reactor operating state, and then passed through the vertical reactor internals and the reactor outer shell.

2. Apparatus for tempering fixed bed reactors according to item 1, characterized in that it consists of two tempering water side connected in series heat exchangers, which are connected to the vertical reactor internals, the reactor outer shell and a circulation pump consists.