DE3107874A1

DE3107874A1 - Verfahren zur blasenfreien gaseinspeisung

Info

Publication number: DE3107874A1
Application number: DE19813107874
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. Dr. 8763 Klingenberg Klein; Franz Josef Dipl.-Chem. Dr. Schmitz; Rudi Ing.(grad.) 8765 Erlenbach Wollbeck
Original assignee: Akzo GmbH
Current assignee: Akzo Patente 5600 Wuppertal De GmbH
Priority date: 1981-03-02
Filing date: 1981-03-02
Publication date: 1982-09-16
Also published as: GB2093730A; DK156460C; IT8247872A0; CH652316A5; DK82082A; IT1147649B; DE3107874C2; JPH0335972B2; DK156460B; US4564373A; JPS57159535A; NL8200529A; FR2500762A1; BR8200817A; GB2093730B; FR2500762B1

Description

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Verfahren zur blasenfreien Gaseinspeisung

Akzo GmbH

Wuppertal

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur blasenfreien Einspeisung von gasförmigen Reaktanten einer chemischen und/oder biologischen Reaktion rn das flüssige Reaktionsmedium.

Es ist bereits aus der DE-OS 2 8 08 293 bekannt, Gase durch eine Membran in ein Reaktionsmedium einzuspeisen, wozu die Membran einen Katalysator enthält-, der aus einem gasabgebenden Reagenz das Gas freisetzt, welches dann vom Medium aufgenommen wird. Derartige katalytische Membranen sind bisher vor allem in künstlichen Lungen und in Aquarien zur Sauerstoffeinspeisung eingesetzt worden, wobei es sich geradezu als Vorteil herausgestellt hat, daß ein hoher Sauerstoffgehalt, was bei diesen Anwendungen erwünscht ist, einstellt und die Blasenbildung bei hohem Sauerstoffbedarf keine Nachteile mit sich bringt. Die deutsche Patenanmeldung P 30 42 281.2 betrifft ein Verfahren

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zur Sauerstoffanreicherung, bei dem die erwähnte katalytische Membran eingesetzt wird.

Für einige chemische und/oder biologische Reaktionen besteht die Notwendigkeit gasförmige Reaktanzen so zuzuführen, daß sie mit dem Reaktionsmedium keinen Schaum bilden und bei dem örtlich keine zu hohen Konzentrationen auftreten. Beispielsweise ist einei solche Reaktion das Wachstum von Zellkulturen in einer Nährlösung. Unter Reaktionsmedium soll dabei die Flüssigkeit verstanden werden, von der das Gas aufgenommene wird und in dem die anderen Reaktionspartner gelöst und/oder dispergiert sind.

Es stellte sich daher für die vorliegende Erfindung die Aufgabe ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches es gestattet gasförmige Reaktanten blasenfrei in einstellbarer Menge in ein Reaktionsmedium, einzuspeisen.

Gelöst wurde diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Poren einer porösen Polymermembran mit dem Reaktionsmedium gefüllt werden und anschließend die eine Seite der porösen Polymermembran mit dom gasförmigen Reaktanten beaufschlagt wird, während die andere Seite der porösen Polymermembran in das flüssige Reaktionsmedium eingetaucht wird.

Es war äußerst überraschend und nicht vorhersehbar, daß eine Füllung der Poren in einer porösen Polymermembran die durch das beaufschlagte Gas aus der Membran nicht herausgedrückt , keine Sperre für den Stoffübergang des Gases in das Reaktionsmedium darstellt. Man kann sich vorstellen, daß die Flüssigkeitsfüllung der Poren eine Diffusionsmembran darstellt, durch die

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das Gas aufgrund des Konzentrationsgefälles in das Reaktionsmedium, welches an der porösen Polymermembran vorbeigeführt wird, eingespeist wird. Eine Druckerhöhung auf der Seite der porösen Polymermembran, die mit dem gasförmigen Reaktanten beaufschlagt wird, führt zu einem erhöhten Stoffübergang. Die Ursache dafür kann darin gesehen werden, daß durch den erhöhten Druck die Schichtdicke dieser "flüssigen Diffusionsmembran" verringert wird.

Vorzugsweise liegt der Druck des gasförmigen Reaktanten unterhalb des mit dem Reaktanten ermittelten Blasdruck ist aber mindestens so groß, daß das flüssige Reaktionsmedium nicht durch die poröse Polymermembran zur Gasseite durchtritt.

Bei porösen Polymermembranen wird zur Charakterisierung der Porengröße der Blaspunkt bestimmt, durch den der Druck angegeben ist, bei dem Luft durch eine alkoholgetränkte Polymermembran in Form von Blasen durchzutreten beginnt LASTM-Methode F 316 - 70 (1976)] . Der entsprechend festgestellte Druck, wobei die poröse Polymermembran statt mit Alkohol mit dem Reaktionsmedium getränkt ist, ist vorzugsweise die obere Grenze für den Druck des gasförmigen Reaktanten. Mit dem Druck läßt sich die durch die Membran diffundierende Gasmenge steuern, wobei der Druck nicht unterschritten werden sollte, bei dem das flüssige Reaktionsmedium durch die poröse Polymermembran zur Gasseite durchtritt.

Als Polymermembran kann jede bekannte poröse Polymermembran Verwendung finden, die gegenüber dem Reaktionsmedium oder dem gasförmigen Reaktanten inert ist. Sie können als Flachmembran, Schlauch oder als Hohlfaden verwendet werden.

Zu porösen Polymeren eignen sich beispielsweise regenerierte Cellulose, Celluloseester z. B. Celluloseacetat, Polyacrylnitril,

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Polyamide, Polyester und Polyolefine insbesondere auch Polypropylen.

Verfahren zur Herstellung derartiger poröser Polymermembranen sind beispielsweise in den DE-OS 27 37 745 und DE-OS 28 33 623 sowie den deutschen Patentanmeldungen P 30 06 880.5-41, P 30 26 718.6, P 30 42 110.4 sowie P 30 49 557.9 beschrieben.

Bei Vorliegen bestimmter Bedingungen in den Grenzflächeneigenschaften'' der porösen Polymermembranen zum Reaktionsmedium stößt man auf Schwierigkeiten, die Poren mit dem Reaktionsmedium zu füllen. Beispielsweise ist dieses bei porösen Polypropylenraembranen der Fall. Die Füllung der Poren gelingt jedoch dann ohne Schwierigkeiten, wenn die poröse Polymermembran durch geeignete Maßnahmen für das Reaktionsmedium benetzbar gemacht wird. Bei manchen Polymeren gelingt es durch Behandlung mit Quellmitteln für das Polymer. "Eine zweckmäßige Methode für Polypropylenmembranen besteht darin, die Membran zunächst mit einer Flüssigkeit mit einer geringen Oberflächenspannung, beispielsweise einem Alkohol, die mit dem Reaktionsmedium mischbar ist, tränkt und anschließend diese Flüssigkeit durch Spülen mit dem Reaktionsmedium verdrängt. Ist das Reaktionsmedium beispielsweise eine wäßrige Nährlösung, so kann die Verdrängung auch zunächst durch Wasser erfolgen und das Wasser wird dann später durch das Reaktionsmedium verdrängt.

Eine der Steuerungsmöglichkeiten der eingespeisten Menge des gasförmigen Reaktanten ist das relative Porenvolumen der porösen Polymermembran. Dieses ergibt sich aus der Dichte der porösen Polymermembran V und der Dichte des porenfreien Polymermaterials V nach der Formel.

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Vorzugsweise beträgt das relative Porenvolumen 50 bis 90 %.

Weitere Steuerungsmöglichkeiten außer den bereits genanten, sind die Temperatur und die Oberfläche der porösen Polymermembran.· Bei steigender Temperatur nimmt die Diffusionsgeschwindigkeit zu, aber die Löslichkeit eines Reaktionsmediums für den gasförmigen Reaktanten wird geringer, so daß eine Temperaturerhöhung dann von Vorteil sein kann, wenn die den gasförmigen Roaktanten verbrauchende Reaktion selbst durch die Temperatur beschleunigt wird und die geringere Löslichkeit kompensiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es in einfacher Weise gasförmige Reaktanten in genau dosierter Menge in ein Reaktionsmedi.um zu überführen, in dem eine chemische und/oder biologische Reaktion stattfindet. Bei biologischen Reaktionen lassen sich beispielsweise Wachstum und Vermehrung von Zellkulturen steuern. Bei chemischen Reaktionen kann die Zufuhr der gasförmigen Reaktanten aus verschiedenen Gründen nur in begrenzter Menge pro Zeiteinheit erwünscht sein, beispielsweise, weil es sich um sehr giftige und/oder wertvolle gasförmige Reaktanten handelt. Beispiele für solche Reaktanten, bei denen man eine entsprechende Gasatmosphäre oberhalb des Reaktionsmediums vermeiden möchte sind beispielsweise Blausäure, Phosgen oder Chlorcyan. Besonders wichtig sind aber Reaktionen, bei denen Sauerstoff möglichst dosiert zugeführt werden muß. Dazu gehört auch bei einer entsprechend großcjn Austauschfläche die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf künstliche Lungen.

. Werden poröse Polymermembranen verwendet, deren Porendurchmesser extrem groß ist, so wird die Steuerungsmöglichkeit über den Druck sehr stark eingeengt, so daß erfindungsgemäß poröse Polymermembranen bevorzugt werden deren maximaler Porendurchmesser 0,2 bis 3 μηα beträgt.

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Beispiel 1

Ein wichtiges Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die blasenfreie Zuführung von Sauerstoff in eine wäßrige Nährlösung, in der Zellkulturen gezüchtet werden. Dazu wurde ein 51-Gefäß mit einem Flansch verschlossen, der mit Meßeinrichtungen und einer Zu- und Abführmöglichkeit eines Gases versehen war. Im Inneren des Gefäßes waren die Anschlüsse für das Gas mit den Enden eines 3,5 m langen Polypropylenschlauches aus porösem Polypropylen verbunden, der zu einer Rohrschlange gewickelt war. Der Innendurchmesser des Polypropylenschlauches betrug 5,5 mm, die Wandstärke 1,5 mm. Die Austduschflache war dementsprechend 0,072 m^a. Das Porenvolumen betrug 70 %. Der Polypropylenschlauch war zunächst über einen Zeitraum von 15 Minuten mit Äthanol getränkt und anschließend 2 Stunden mit Wasser gespült worden. Der maximale Durchmesser der Poren betrug 0,6 um.

Das Gefäß wurde dann mit destilliertem Wasser gefüllt, dessen Sauerstoffgehalt durch Zugabe von Natriumsulfit auf 0,2 mg O₂/1 eingestellt war. Die Temperatur betrug 21 ⁰C, der dieser Temperatur entsprechende Sättigungssauerstoffgehalt beträgt 8,7 mg O₂/1 bei Normaldruck.

Die Gaszufuhr wurde mit e-iner Sauerstofflasche verbunden während der Gasablaß mit einem Drosselventil vorsehen wurde. Der Eingangsdruck wurde auf 1^0 bar und das Drosselventil auf 0,95 bar eingestellt. Die Flüssigkeit im Gefäß wurde mit einem Magnetrührer mit 130 U/min bewegt. Der Sauerstoffgehalt konnte fortlaufend mit einem Sauerstoffmeßgerät "Oxi 56" der Firma WTW-Weilheim verfolgt werden.

Unter diesen Versuchsbedingungen konnten 1,4 mg 0₂/l'h gezielt durch Diffusion zugeführt werden, ohne daß Blasenbildung beob-

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achtet werden konnte. Auch nach Erreichen der Sättigungsgrenze (ca. 6 Stunden) trat keine Blasenbildung auf. Es würde eine Übersättigung des Wassers bis zu 9,5 mg/1 O₂ erreicht, wobei jedoch die zeitliche Zunahme der Sauerstoffkonzentration kontinuierlich abfiel, während sie bis zum Erreichen der Sättigungskonzentration konstant geblieben war. Oberhalb der Flüssigkeitsfläche war ein Beschlagen beobachtet worden, was darauf schließen läßt, daß der SauerstoffÜberschuß mit Verdunstunqswasser aus dem Reaktionsmedium ausgetragen wurde.

Beispiel 2

Anschließend an den im Beispiel 1 beschriebenen Versuch wurden konstante Mengen an Natriumsulfitlösung zugegeben, die einem Saueistof fverbrauch von 0,7 mg/l'h, 1,2 mg /l*h und 1,4 mg/l'h entsprechen... Durch diese Zugaben wurde die Zunahme an Sauerstoff entsprechend verlangsamt bzw. bei der zu 1,4 mg 0₂/l-*h äquivalenten Menge Natriumsulfit auf dem Anfangswert konstant gehalten. Es zeigt sich also, daß es gelingt dosiert blasenfrei Sauerstoff in ein flüssiges Reaktionsmedium einzuspeisen und man damit die Bedingungen einstellen kann, die bei der Züchtung von Zellkulturen von außerordentlicher Bedeutung sind, nämlich bei einer bestimmten Sauerkonzentration, nur soviel Sauerstoff einzuspeisen, wie die Wachstumreaktion verbraucht.

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Claims

A3GW31976 | Patentansprüche

1. Verfahren zur blasenfreien Einspeisung von gasförmigen Reaktanten einer chemischen und/oder biologischen Reaktion in das flüssige Reäktionsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren einer porösen Polymermembran mit dem Reaktionsmedium gefüllt werden und anschließend die eine Seite der porösen Polymermembran mit dem gasförmigen Reaktanten beaufschlagt wird, während die andere Seite der porösen PoIymermembran in das flüssige Reaktionsmedium eingetaucht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des gasförmigen Reaktanten unterhalb des mit dem Reäktionsmedium ermittelten Blasdrucks liegt und mindestens so groß ist, daß das flüssige Reaktionsmedium nicht durch die poröse Polymermembran zur Gasseite durchtritt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Polymermembran für das Reaktionsmedium benetzbar gemacht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das relative Porenvolumen der porösen Polymermembran 50 - 90 % beträgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 4,· dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Porendurchmesser 0,2 bis 3 μΐη beträgt.

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