DE19745990A1

DE19745990A1 - Reaktorsystem mit magnetisch bewegtem Reaktorbett

Info

Publication number: DE19745990A1
Application number: DE19745990A
Authority: DE
Inventors: Peter-Juergen Dr Rer N Mueller; Joerg-Hermann Dr Rer Ozegowski; Wolfgang Dipl Ing Liebisch; Klaus Buechner; Dieter Dipl Ing Beckmann; Stefanie Dr Rer Nat Moeller; Kurt Lieberherr
Original assignee: INDUSTRIEOFENBAU und MASCHINEN; INST EXPERIMENTELLE MIKROBIOLO; Institut fuer Bioprozess und Analysenmesstechnik eV; Hans Knoell Institut fuer Naturstoffforschung
Current assignee: INDUSTRIEOFENBAU und MASCHINEN; INST EXPERIMENTELLE MIKROBIOLO; Institut fuer Bioprozess und Analysenmesstechnik eV; Hans Knoell Institut fuer Naturstoffforschung
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 1999-04-22

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (Reaktorsystem) in modularer Bauweise zur Durchführung von Reaktionen. Im Reaktor wird ein bewegtes Reaktorbett aus magnetische Trägermaterialpartikel hergestellt. An die Partikel sind Enzyme oder Biomaterialien oder bioaffine Materialien immobilisiert. Im Fall der Immobilisierung von Enzymen werden dann in einem Stoffstrom, welcher Substrate enthält, Umsetzungen katalysiert. Bei Immobilisierung von Biomaterialien/bioaffinen Materialien werden aus dem Stoffstrom Wirk- und Wertstoffe adsorbiert. Durch die erfindungsgemäße Übertragung mechanischer Energie über entsprechend angeordnete magnetische Felder entsteht ein bewegtes, flüssigkeitsdurchlässiges Reaktorbett mit sehr hoher Partikeldichte. Hierdurch wird eine wesentliche Intensivierung der Reaktionen und Stoffübergange erreicht.

Die Erfindung wird zur Durchführung von enzymatischen Umsetzungen und von Adsorptionen eingesetzt. Die Anwendungsgebiete der Erfindung befindet sich in den Bereichen Biotechnologie, Pharmazie und Chemie sowohl im Labor- und Technikumsmaßstab als auch im industriellen Maßstab. Die Anwendung des Reaktors ist nicht an Reaktionen (z. B. Transformationen) in wäßrigen Medien gebunden, sondern es können auch organische Lösemittel eingesetzt werden.

Alle besonderen Eigenschaften von Enzymen, wie Selektivität, Stereospezifität, Reaktionstemperaturen nahe der natürlichen Umgebungstemperatur sowie die generell größere Möglichkeit, Synthesen ökologischer durchzuführen, können mit der Erfindung realisiert werden. Weiterhin können komplexe Enzymsysteme zur Durchführung von mehreren Synthesestufen eingesetzt werden.

Im Falle der Anwendung von bioaffinen Molekülen können substanzspezifisch und stereoselektiv Stofftrennungen vorgenommen werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Magnetische Partikel als Trägermaterial von Enzymen oder von bioaffinen Materialien werden bereits in diskontinuierlichen und kontinuierlichen Reaktoren eingesetzt. Genutzt wird die Möglichkeit der Abtrennung der magnetischen Partikel von der sie umgebenden Flüssigkeit mit einem magnetischen Feld (I. Safarik, M. Safarikova and S. J. Forsythe, 1995. The application of magnetic separations in applied microbiology. J. Appl. Biotechnol., 78, 575-585).

Zur Vermischung der Partikel mit der flüssigen Phase werden herkömmliche Rührer und auch durch Strömung oder durch ein unter dem Reaktorboden angeordnetes drehbares Magnetfeld hervorgerufene Verwirbelung (Wirbelbett) genutzt. Die Partikel sind hierbei in starkem Maß gegeneinander beweglich. Unter den genannten technischen Bedingungen kann der Anteil des Partikelvolumens im Reaktorvolumen nicht einen Wert von etwa 30-40% übersteigen. Die Wirbelschicht befindet sich in der Regel nur im Grenzbereich zwischen sedimentierten Magnetpartikeln und der Reaktionsflüssigkeit. Bei Anwendung höherer Feldstärken kommt es zu einer Verfestigung des Sedimentes. Es besteht hierbei die Gefahr, daß die Nutzungszeit der Partikel im Reaktor sich dadurch verringert, weil durch Abrieb, der auf Grund der durch Reibekräfte hervorgerufenen mechanischen Belastung entsteht, es zu einem Ablösen der immobilisierten Moleküle von den Partikeln kommt.

Um ein lockeres, durchströmbares Partikelbett zu erhalten, wurden magnetfeldstabilisierte Trägermaterialbetten für Reaktoren entwickelt. Hier sind die Katalysatorpartikel gegeneinander nur in begrenztem Maß beweglich.

Das Magnetfeld wird in der Regel parallel zur Strömungsrichtung des zu bearbeitenden Stoffstromes durch eine oder mehrere Spulen erzeugt, welche die Außenwand des meist röhren-förmigen Reaktors umfassen. Das Ziel besteht zum einen im Festhalten der magnetischen Trägermaterialpartikel und damit in deren Abtrennung aus dem Stoffstrom.

Weitergehend wird in einigen Fällen durch eine entsprechende Regelung der elektro magnetisch erzeugten Felder ein Zustand geschaffen, in dem die magnetischen Trägermaterialpartikel in der Reaktorröhre ein fluidisiertes Bett mit hohem Verteilungsgrad bilden. Diese Art von Reaktoren werden als "magnetically stabilised fluidized bed reactor" (MSFBR) bezeichnet. Dafür seien die folgenden Anwendungen genannt.

Im WO 90/12873 wird ein Reaktor mit einem magnetisch stabilisierten, fluidisierten Bett vorgeschlagen. In diesem Reaktor wird ein Bett erzeugt, welches aus Partikeln besteht, auf denen das Enzym Glucoamylase immobilisiert worden ist.

Der Apparat besteht aus einer röhrenförmigen Reaktorzelle, die von einer Vielzahl magnetischer Spulen umschlossen wird, die ein Magnetfeld erzeugen, welches parallel zur Längsachse des Reaktors verläuft. In dieser Reaktorzelle, an deren Boden eine Verteilerplatte zur Auftrennung des Stoffstromes angeordnet ist, befinden sich die magnetischen Mikropartikel. Diese werden durch das magnetische Feld der Vielzahl der um die in diesem Fall aus Glas bestehenden Röhre angeordneten magnetischen Spulen in der Schwebe gehalten. In einer weiteren Variante einer solchen Reaktorröhre wird ein fluidisiertes Bett aus Mikropartikeln durch ein Magnetfeld erzeugt, wobei diese Mikropartikel Magnetit enthalten. Die Reaktorröhre ist von elektromagnetischen Spulen umgeben, die das Magnetfeld bewirken (Biotechnology and Bioengineering, Vol. XXV, p. 2285-2292 (1983)).

Die Benutzung von Techniken, die auf magnetischen Prozessen beruhen, in Verbindung mit Trägern für eine selektive Abtrennung von kolloidalen Partikeln, Makromolekülen und organischen Stoffen im industriellen Maßstab wird zusammenfassend an anderer Stelle beschrieben (O. Moffat, R. A. Williams, C. Webb, and R. Stirling) 1994. Selective separation in environmental and industrial processing using magnetic carrier technology. Minerals engineering, 7, 1039-1050; Pergamon Press Inc. Tarrytown NY USA). Auch hier wird ein Reaktor vom Typ MSFBR genannt.

Der bloße Effekt des Festhaltens und Abtrennens magnetischer Partikel wird in einer weiteren Anwendung beschrieben. Eine Glasröhre, gefüllt mit sehr feinen Stahlfasern dient als Versuchsreaktor (J. Biochem. 100, 1481-1492 (1986)). Dieser ist in einem Magnetfeld plaziert. Die extrem kleinen Eisenpartikel, die als Trägermaterial dienen (10-20 nm) und die durch die Röhre gepumpt werden, werden zu 70% durch das um die Fasern entstehende inhomogene Magnetfeld gebunden. Hier handelt es sich um eine Laboranlage mit sehr geringen Durchsätzen.

Reine Mischvorgänge, welche die Kraftübertragung über magnetische Felder ausnutzen, werden in den Patentschriften DE 22 60 153 und DD 249640 für die Mischung von Blutproben durch Verwirbelung von ferromagnetischen Partikeln beschrieben.

In DE 28 32 037 wird hingegen die Förderung von magnetischen Partikeln aus Tonerlösungen geschildert. Dies geschieht mit einer Walze, auf welcher spiralförmig ein Magnetstreifen befestigt ist. Die Walze dreht sich in einer Röhre und die ferromagnetischen Teilchen wandern auf der Außenoberfläche der Röhre, deren unteres Ende in die Tonerlösung taucht, aus der Suspension heraus.

Nachteilig an den genannten Lösungen für Anwendungen in technisch nutzbaren Reaktoren ist, daß mit ihnen generell keine sehr hohen Partikel- bzw. Katalysatordichten in einem bewegten Bett als Voraussetzung für hohe Umsatzgeschwindigkeiten erzeugt werden können.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, ein, bezogen auf die Umsatzgeschwindigkeit, besonders leistungsfähiges Reaktorsystem zu schaffen, bei dem auf partikelförmige ferri(o)magnetische Trägermaterialien magnetische Energie übertragen wird, um ein flüssigkeitsdurchströmbares bewegtes Partikelbett mit hoher Partikeldichte zu schaffen. An die magnetischen Partikel sind Enzyme oder Biomaterialien/bioaffine Materialien (im folgenden zusammenfassend auch "Biomaterialien" genannt) gebunden, die (bei Immobilisierung von Enzymen) in einem Substrate enthaltenden Stoffstrom chemische Umsetzungen katalysieren bzw. (bei Immobilisierung von Biomaterialien/bioaffinen Materialien) aus einem Stoffstrom Wirk- und Wertstoffe adsorbieren. (Im folgenden werden solche chemischen Umsetzungen und solche Stoffadsorptionen zusammenfassend auch "Reaktionen" genannt). Hiermit sollen Reaktionen zwischen einem Stoffstrom und den an den Supporten gebundenen Enzymen oder Biomaterialien/bioaffinen Materialien unter weitgehender Vermeidung von Reibekräften zwischen den Partikeln realisiert werden. Gleichzeitig ist beabsichtigt, diese Reaktionen im Vergleich zu den bekannten technischen Lösungen wesentlich zu intensivieren.

Weiterhin soll durch einen modularen Aufbau eine Adaption an unterschiedliche Prozesse möglich sein.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, durch Schaffung eines Reaktorsystems, insbesondere durch eine geeignete Technik der Übertragung mechanischer Energie auf magnetische partikelförmige Trägermaterialien mit Durchmessern zwischen 0,1 und 1000 µm, bevorzugt Magnetitpartikel, eine für industrielle Anwendungen geeignete Vorrichtung auf der Grundlage eines modularen Konstruktionsprinzips zu verwirklichen. Es soll eine sehr hohe Partikel- bzw. Katalysatordichte mit hohem Verteilungsgrad innerhalb eines beweglichen und durchströmbaren, möglichst gleichmäßig verteilten Partikelbetts bei möglichst geringer Abriebbildung erzeugt werden.

Darlegung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, die ferri(o)magnetischen Trägermaterialpartikel in einem oder mehreren, vorzugsweise 1 bis 10, etageweise angeordneten Reaktormodulen mit waagerecht angeordneten planen Begrenzungsflächen (Modulboden und Moduldecke) aus einem Material, welches für magnetische Felder durchlässig ist, untergebracht sind, die Reaktormodule dicht verschlossen sind und diese lediglich an den Seiten bzw. an ihrem Umfang eine oder auch mehrere Zulauf- und Ablauföffnungen für einen sie durchströmenden Stoffstrom besitzen, und sich unterhalb und oberhalb dieser Reaktormodule jeweils Quellen für mehrere (2n+1, wenn n die Anzahl der Module ist) bewegliche Magnetfelder befinden, deren Magnetfeldlinien in ihrer Hauptausrichtung rechtwinklig zu Moduldecke und Modulboden verlaufen, die Quellen etageweise übereinander so angeordnet sind, daß sie sich gegenseitig anziehen und daß unter ihrem Einfluß die in den Modulen befindlichen, vom Stoffstrom durchflossenen Trägermaterialpartikel unter Volumenvergrößerung aufgelockert, bewegt und ausgerichtet werden.

Die Reaktormodule bestehen aus einem für magnetische Felder durchlässigem Material, bevorzugt aus Edelstahl, aber auch aus Glas, Aluminium oder Kunststoffen. In einer bevorzugten Ausführung sind die Reaktormodule trommelförmig mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Höhe größer als drei gestaltet. Der Durchmesser der trommelförmigen Module liegt, ohne daß damit die Erfindung begrenzt wird, zwischen etwa 0,05 bis 3,0 m. Die unterhalb und oberhalb jedes dieser Reaktormodule befindlichen Quellen für mehrere gleichsinnig bewegliche Magnetfelder (Magnetanordnungen) sind an einem Magnetträger befestigt. Die Magnetanordnung bewirken ein die Reaktormodule durchdringendes Magnetfeld und bestehen aus mehreren Einzelmagneten. Die Einzelmagnete korrespondieren energetisch mit den über ihnen bzw. unter ihnen befindlichen Einzelmagneten der oberhalb und unterhalb liegenden Magnetanordnungen in einer Weise, daß sich übereinanderliegende Einzelmagnete gegenseitig anziehen. Dadurch entsteht zwischen ihnen ein weitgehend homogenes Magnetfeld, welches so gewählt wird, daß bei seiner Einwirkung die auf die Trägermaterialpartikel wirkende Schwerkraft weitgehend überwunden und diese sich entlang der Feldlinien anordnen und ein Schwebezustand bzw. ein aufgelockerter Zustand erreicht wird. Durch die gleichsinnige Bewegung der Magnetfeldanordnungen (oder Magnetträger) wird durch den vorübergehenden Auf- und Abbau der Felder der Einzelmagnete eine Bewegung der Trägermaterialpartikel erreicht. Die Bewegungsrichtung der Magnetanordnungen verläuft parallel zur Boden und Decke der Module.

Vorteilhaft ist, daß die Trägermaterialpartikel durch die Einwirkung des erfindungsgemäß erzeugten Magnetfeldes aufgelockert und nahezu schwerelos und reibungslos bewegt werden. Dadurch wird die Möglichkeit, daß die an den Trägermaterialpartikeln immobilisierten Biomaterialien durch Reibung zwischen den Partikeln mechanisch abgelöst werden und damit inaktiviert werden, auf ein Minimum reduziert.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung führen die Magnetanordnungen eine Drehbewegung in der waagerechten Ebene durch. Die Achsen der Magnetträger sind bevorzugt parallel und quasiidentisch mit den gedachten Achsen der bevorzugt trommelförmig ausgebildeten Reaktormodule. Bevorzugt sind die Magnete in Form radialer Speichen eines gedachten Rades angeordnet, das sich um seine Nabe dreht. Die Drehgeschwindigkeit liegt zwischen 1-100 rpm.

Vorteilhaftweise kann die Auflockerung auch bei sehr hohen Partikel- bzw. Katalysatordichten - bis zu 90% des Reaktormodulvolumens können mit Magnetpartikeln gefüllt sein - noch realisiert werden. In diesem Grenzfall können noch 10% des Reaktormodulvolumens durch die Reaktionslösung bzw. den Stoffstrom durchgespült werden.

Die auf den Magnetanordnungen befindlichen Magnete sind in einer Ausführungsvariante Permanentmagnete, aber auch der Einsatz von Elektromagneten ist ebenfalls möglich. Die Reaktormodule einschließlich ihrer Auflagen und Magnetanordnungen wechseln sich alternierend, den Anforderungen der einzelnen Anwendung entsprechend, etagenweise ab (modularer Aufbau).

Vorteilhaft an der Kombination von Magnetfeld und Parallelbewegung der übereinander liegenden, sich anziehenden Magnetanordnungen ist, daß es bei Durchdringung der Partikel durch das Magnetfeld jedes Einzelmagneten zu einer sich wiederholenden Auflockerung und Volumenvergrößerung des ohne Magnetfeldeinfluß als Sediment vorliegenden Partikelbettes kommt. Mit einem statischen magnetischen Feld, wie es bereits vorgeschlagen wurde, können die hohen Partikeldichten nicht aufgelockert werden, da die Sedimentation der sehr schweren Magnetitpartikel (Dichte < 5 g/cm³) zu sehr festen Sedimenten führt.

Durch die Auflockerung entsteht ein Volumenanteil, der von der Reaktionslösung zusätzlich durchflossen werden kann. Aufgrund des hohen Verteilungsgrads und der ständig gegeneinander wechselnden Lage entstehen oftmalige, für eine intensive Reaktionsrate notwendige Kontakte zwischen dem Volumenstrom und den Katalysator(Adsorbent)partikel. Die Auflockerung ist auf die Anordnung der Partikel entlang der gedachten Feldlinien zurückzuführen. Als deren Ergebnis bilden sich langgestreckte Strukturen aus, die mehr Platz als die nach einem Kugelpackungsprinzip im Sediment dichter gepackten Partikel beanspruchen.

Der durchschnittliche Abstand zwischen den Strukturen vergrößert sich ebenfalls. Die Abweichung von der im Sediment vorliegenden dichten Kugelpackung durch die Strukturbildung führt somit zu einer Volumenvergrößerung bzw. der Bildung von durchströmbaren Hohlräumen. Da durch die Bewegung der Magnetanordnung die Felder auf- und abgebaut, d. h. daß die gedachten Magnetfeldlinien ihre Neigung gegenüber der Drehbewegungsebene ständig ändern, verändert sich die Lage der Partikel zueinander ständig. Die dabei auftretenden Reibungskräfte sind sehr gering, weil die Partikel gewissermaßen schwerelos in dem Stoffstrom schwimmen.

Wenn die Partikeldichte niedriger gewählt wird, beispielsweise zwischen 1 und 30%, wandern die sedimentierten Partikel bei ausreichender Magnetfeldstärke im Deckenbereich nach oben. Verschwindet das Feld vorübergehend, sedimentieren die Partikel wieder teilweise, bis die Feldstärke durch den Einfluß des nächsten sich nähernden Magneten wieder ansteigt. Die höhere Feldstärke im Deckenbereich wird konstruktiv dadurch erreicht, daß der Abstand zu den Magneten im Bodenbereich des Reaktormoduls erhöht und im Deckenbereich erniedrigt wird.

Durch die unterschiedliche Homogenität des Feldes bzw. den Veränderungen der Feldlinienneigung des Magnetfeldes im Randbereich und in dem Mittelbereich der Magnete (hohe Homogenität des Magnetfeldes) werden die Partikel im Randbereich der Magnete (niedrige Homogenität) fester als im Mittelbereich an den Boden bzw. der Decke des Reaktormoduls gezogen.

Eine weitere Bewegungskomponente ist auf die wechselnde Neigung der Feldlinien der Einzelmagnete zurückzuführen. Die entlang der Feldlinien angeordneten Partikel folgen der durch die Bewegung der Einzelmagnete hervorgerufenen Veränderungen der Neigung der Feldlinien.

Infolge der Bewegung entsteht bei eher niedrigerer Katalysatordichte eine "winkende" Bewegung der Partikelketten, wobei die Partikel von Magnetfeldlinie zu Magnetfeldlinie entgegen der Bewegungsrichtung der Magnete transportiert werden. Dieser Transport wird durch eine Art rückwärtiges Umlegen von Feldlinie zu Feldlinie um einen gedachten Fußpunkt hervorgerufen.

Bei der bevorzugten Ausführung der Reaktormodule in Trommelform und kreisförmiger Bewegung der Magnetträger werden die Partikel im Kreis befördert. Bei anderen Ausführungen von Reaktor und Bewegungsrichtung besteht die Möglichkeit, daß es zu Partikelansammlungen kommt, die durch Richtungswechsel der Bewegung wieder aufgelöst werden können.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen modularen Reaktorsystem mit sich bewegenden Magnetfeldern ist auch, daß der Stoffstrom, der durch eine Öffnung eintritt, innerhalb des Reaktormoduls in eine Vorzugsrichtung fließt. Die Vorzugsrichtung hangt von der Partikeldichte und den Feldstärken der Magnete ab. In einem Fall wird bei relativ niedrigem Füllungsgrad der Module mit Partikeln durch die Bildung von reusenförmigen, sich bewegenden Partikelbetten der Stoffstrom in Richtung der Bewegung transportiert. Bei hohen Partikeldichten fließt der Stoffstrom in Richtung der aufgelockerten Partikelbereiche. Bei sehr geringer Partikeldichte überwiegt die durch die "Winkbewegungen" der Partikelketten entgegen der Bewegung der Magnetträger erzeugte Bewegungsrichtung.

Der Stoffstrom ist bevorzugt eine flüssige, homogene Lösung. Er kann aus Wasser oder auch organischen Lösemitteln mit darin gelösten Reaktanten bestehen. In einem begrenzten Maß können auch Suspensionen eingesetzt werden. Die Durchführung von Reaktionen in einem gasförmigen Stoffstrom ist nicht auszuschließen.

Als sehr vorteilhaft stellt sich die Möglichkeit dar, daß in den einzelnen Reaktormodulen des Systems sowohl jeweils identische Katalyse- bzw. Adsorptionstypen erfolgen als auch verschiedene Katalyse- bzw. Adsorptionstypen durchgeführt werden. Wenn erforderlich können in einigen Modulen Katalysen und in anderen Modulen Adsorptionen erfolgen. In den einzelnen Reaktormodulen, in den Zu- und Ableitungen oder im ganzen System können auch Prozeßparameter, wie z. B. pH-Wert, gemessen und/oder gesteuert und/oder geregelt werden.

Ausführungsbeispiel 1

Die Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung des Reaktorsystems (Abb. 1) beispielhaft erläutert.

Die Abb. 1 zeigt einen segmentartigen Ausschnitt des Reaktorsystems in einer seitlichen Ansicht. Das Gestell 6 ist als Dreibein ausgebildet. Von diesen drei Beinen bzw. seitlichen Haltestangen sind die beiden abgebildet, zwischen denen die Reaktormodule 1 auf die Auflageböden 5 eingeschoben oder von ihnen entnommen werden können. Von den drei Seiten des Gestells 6 ist eine Seite zum Zweck der Beschickung mit den Reaktormodulen 1 etwas länger als die beiden anderen. Diese größte Länge des ungleichseitigen Dreiecks ist somit von einer Abmessung, welche etwas größer ist als der Durchmesser der bevorzugt trommelförmigen Reaktormodule 1, so daß diese ohne Probleme aufgegeben oder entnommen werden können.

Unter den Auflageböden 5 und über den Reaktormodulen 1 sind die drehbaren Magnetfeldquellen 4 zu erkennen. Diese Feldquellen bestehen aus Permanentmagneten 10, die auf mehreren, um jeweils eine eigene Achse 7 drehbaren Vorrichtungen 9, auch genannt Magnetträger, angeordnet sind. Die Achsen 7 werden in den Achsenhalterungen 8, welche wiederum am Gestell 6 befestigt sind, gelagert. Der Antrieb erfolgt über einen an der zentralen Achse angreifenden Motor. An den Seitenwänden der Reaktormodule 1 sind weiter (als angeschnittene Kreise) die Zulauföffnungen 2 und die Ablauföffnungen 3 für den Stoffstrom dargestellt.

Durch den modularen Aufbau des Reaktorsystems ist es möglich, dieses durch Hinzufügen oder Entnehmen einzelner Reaktormodule 1 unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich der benötigten Kapazität anzupassen. Die entsprechenden Zu- und Ablauföffnungen der Reaktormodule werden bevorzugt über Schläuche miteinander bzw. mit peripheren Anlagenteilen verbunden. Am zweckmäßigsten erfolgen die Verbindungen durch Schnellverschlußkupplungen.

Ausführungsbeispiel 2

Reaktorsystem entsprechend Ausführungsbeispiel 1. Die Reaktormodule bestehen aus Edelstahlblech von 2 mm Dicke. Der innere Durchmesser des Moduls beträgt 600 mm, die Höhe 70 mm. Sie besitzen eine zentrale Achsendurchführung. Fünf Module sind übereinander gelagert. Oberhalb, unterhalb und zwischen den Modulen befinden sich insgesamt sechs Magnetträger, die mit jeweils 20 Permanentmagneten aus keramischem Werkstoff bestückt sind. Jeder Pennanentmagnet hat das Maß 100 × 100 × 20 mm. Die Magnete liegen mit der Breitseite auf dem Magnetträger auf und bilden ein um den Mittelpunkt der scheibenförmigen Träger angeordnetes rechtwinkliges Kreuz, bestehend aus 12 Magneten. In den Zwickeln des Kreuzes befinden sich acht weitere Magnete. Die Magnetträger sind an einer gemeinsamen Achse befestigt. Der Abstand jedes Magneten auf den Magnetträgern zur darunterliegenden Decke der Module beträgt 5 mm, der Abstand zum darüber liegenden Boden der Module beträgt 15 mm. Die Module sind mit jeweils 12 l Trägermaterial, das den immobilisierten Katalysator enthält, gefüllt. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Magnetträger kann zwischen 5 und 60 rpm variiert werden. Über eine Zulauföffnung nahe des Bodenbereiches des untersten Reaktormoduls wird die Reaktionslösung mit einer Zulaufrate von 1 l/min mit einer Schlauchpumpe zugeführt. Über eine Abflußöffnung im Deckenbereich des untersten Moduls, welche etwa 10 Grad (gegen die Drehrichtung des Magnetträgers) gegenüber der Zulauföffnung verschoben ist, fließt die Reaktionslösung in die wie im untersten Modul angeordneten Öffnungen der darüber liegenden Module und verläßt über die Abflußöffnung des obersten Moduls den Modulreaktor.

Bezugszeichenliste

1

Reaktormodul, ausgebildet als geschlossener Hohlkörper mit zueinander parallel angeordneten Modulboden und Moduldecke

2

Zu- oder Abflußöffnungen im Reaktormodul

1

für den Stoffstrom

3

Zu- oder Abflußöffnungen im Reaktormodul

1

für den Stoffstrom

4

Magnetfeldquelle, bestehend aus Einzelmagneten

10

und Magnetträger

9

5

Auflageboden für Reaktormodul

1

, befestigt am Grundgestell

6

Gestell bzw. Grundgestell

7

gemeinsame Drehachse der Magnetträger

9

8

Achsenhalterungen zur Führung der Drehachse, befestigt am Grundgestell

6

9

drehbar angeordnete Magnetträger, auch Magnethalter genannt

10

Magnete bzw. Einzelmagnete, am Magnetträger

9

befestigt

Claims

1. Vorrichtung zur Durchführung von Reaktionen in einem Stoffstrom durch auf ferri(o)magnetischen Trägermaterialpartikeln mit einem Durchmesser zwischen 0,1 µm und 1000 µm immobilisierte Biomaterialien, dadurch gekennzeichnet, daß die ferri(o)imagnetischen Trägermaterialpartikel in etageweise angeordneten Reaktormodulen mit waagerecht angeordneten planen Begrenzungsflächen aus einem Material, welches für magnetische Felder durchlässig ist, untergebracht sind, die Reaktormodule dicht verschlossen sind und diese lediglich Zu- und Ablauföffnungen für einen sie durchströmenden Stoffstrom besitzen und sich unterhalb und oberhalb dieser Reaktormodule jeweils Quellen für bewegliche Magnetfelder befinden, deren Magnetfeldlinien in ihrer Hauptausrichtung rechtwinklig zu Moduldecke und Modulboden verlaufen, die Quellen etageweise übereinander so angeordnet sind, daß sie sich gegenseitig anziehen und daß unter ihren Einfluß die in den Modulen befindlichen, vom Stoffstrom durchflossenen Trägermaterialpartikel unter Volumenvergrößerung aufgelockert, bewegt und ausgerichtet werden.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktormodule aus Edelstahl bestehen.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktormodule aus einem der Materialien Aluminium, Glas, Kunststoff oder einem anderen, für magnetische Felder durchlässigem Material bestehen.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Volumens der Trägermaterialpartikel am Reaktormodulvolumen zwischen 1% und 90% liegt.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktormodule eine trommelförmige Form aufweisen, wobei ein Verhältnis von Durchmesser zu Höhe größer als 3 bevorzugt wird.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnethalter sich um die selbe Achse auf einer Kreisbahn, bevorzugt mit 1 bis 100 rpm, bewegen.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unter und über den Reaktormodulen (1) befindlichen Quellen der magnetischen Felder aus Magneten bestehen, die auf mehreren um jeweils eine Achse drehbaren Vorrichtungen, auch genannt Magnethalter, kreissymmetrisch in Form von der Achse ausgehender radialer Strahlen angeordnet sind, wobei die Achsen dieser Vorrichtungen parallel und quasi-identisch mit den gedachten Achsen der Reaktormodule sind.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete aus Permanentmagneten bestehen.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reaktormodule mit zwischengelagerten beweglichen Magnetfeldquellen senkrecht übereinander alternierend angeordnet sind, wobei eine zwischen zwei Reaktormodulen gelegene Magnetfeldquelle das darunter gelagerte Reaktormodul von oben und das darüber gelagerte Reaktormodul von unten mit Magnetfeldern durchdringt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der beweglichen Magnetfeldquellen über die ganze Höhe des bevorzugt senkrecht stehenden Reaktorsystems Magnetfelder erzeugt, deren Feldlinien in ihrer Hauptausrichtung parallel zur gedachten Achse des Reaktorsystems mit seinen alternierend und etagenweise angeordneten Reaktormodulen und Magnetfeldquellen verlaufen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulauföffnungen und die Ablauföffnungen der Reaktormodule zur Führung des Stoffstromes über Schläuche miteinander und mit peripheren Anlagenteilen verbunden werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorsystem, ein Verbund einzelner Reaktormodule oder jedes einzelne Reaktormodul für sich durch entsprechende Einbindungen in die Stoffströme über deren Zu- und Ableitungen in seinen Prozeßparametern gemessen und/oder gesteuert und/oder geregelt werden kann.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12 zur Durchführung von chemischen Umsetzungen und zur Adsorption von Wirk- und Wertstoffen aus dem Stoffstrom.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Biomaterialien um Enzyme oder bioaffine Substanzen handelt.